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挑战生命基本公式:人工合成实现大肠杆菌全基因组重编码

撰文 |  黄宇翔 责编 |  陈晓雪
长久以来,合成生物学家都怀有一个梦想:希望能有一天合成出完整的人类基因组。然而,这项工作的难度就好比要求你用四种颜色的小小玻璃珠,沿着北京市五环路按照指定的次序串上五圈,中间还不允许出错!
 
理想还是要有的。最近,英国 MRC 实验室研究员 Jason Chin 领导的团队取得了阶段性的胜利:他们成功为大肠杆菌(Escherichia coli)的完整基因组重编写了遗传密码子 [1]。如果沿用上面的比喻,大致相当于用玻璃珠准确、不间断地围着一个400米的操场完整串了一圈。
 
通讯作者Jason Chin照片 
来源:MRC网站(https://www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/jason-chin-awarded-the-2019-sackler-prize/)
 
“这是一个里程碑式的工作。” 哈佛大学教授 George Church 在接受美国媒体 STAT 采访时评论说。
 
全基因组水平最大规模的密码子重编写 
 
从大肠杆菌到哺乳动物细胞都遵守中心法则:DNA 经过转录生成 mRNA,mRNA 经过翻译形成蛋白质。在翻译的过程中,每三个核苷酸组成一个密码子,对应一种氨基酸或者是终止信号。由于细胞存在64种密码子,而参与翻译的标准氨基酸只有20种,其中存在着冗余性,因此研究者设想可以通过密码子同义替换,在基因组中删除特定的密码子,进而可以将空闲出的密码子用于编码非标准氨基酸。
 
在这项研究中,Jason Chin 团队通过人工合成、替换的方式,将大肠杆菌全基因组的64个密码子成功缩减为61个,是目前全基因组水平上最大规模的密码子重编写工作。
 
该研究通过同义替换将大肠杆菌基因组的64个遗传密码子缩减为61个。  来源:Fredens et al,. Nature,2019
 
研究者将大肠杆菌约 4Mb 的基因组划分为8个小节,每个小节再细分为长度 100kb 左右的4-5个的模块。通过体外 DNA 合成构建出一条条长度约10kb的片段,再借助酵母细胞的同源重组,研究者将十条左右的片段拼接为包含了长约100kb模块的细菌人工染色体(Bacterial Artificial Chromosome, BAC)。
 
然后,基于此前 Jason Chin 开发的 REXER 技术 [2],研究者将 BAC 电转入大肠杆菌细胞,再利用 CRISPR/Cas9 技术将大肠杆菌基因组中的~100kb长的同源序列替换为人工合成的序列模块。Jason Chin 设计的 BAC 在同源模块两端具有特殊的选择标记,因此能够在大肠杆菌中可迭代地进行 REXER,每一轮循环替换约100kb基因组,最终实现将大肠杆菌的整个基因组都替换为人工合成的同源序列的目标。
 
研究者在人工合成的基因组中将编码丝氨酸的密码子 TCG、TCA 分别替换为同义的 AGC、AGT,将终止密码子 TAG 全部替换为 TAA。在大肠杆菌 MDS42 株系中,以上三种替换所涉及变更的密码子总计达18218个,新合成的株系被命名为 Syn61,用来纪念这个只含有61个密码子的全新生命体。尽管在全基因组范围内,检测到8个非预期突变,但研究者认为这些突变对于相关基因的表达没有影响。
 
该研究构建的Syn61大肠杆菌基因组图谱  来源:Fredens et al,. Nature, 2019
 
在2011年,哈佛大学医学院合成生物学家 George Church 成功将大肠杆菌的基因组中全部314个琥珀终止密码子(amber stop codon,TAG)替换为同义的 TAA 终止密码子。该研究是第一个在全基因组范围内实现密码子重编写的工作,但是其所主要使用的 MAGE 技术,是基于设计寡聚核苷酸链进行多位点同步替换的原理,仅仅可以对所要编辑的个别位点进行替换。George Church 的这项工作事实上并没有实现对大肠杆菌全基因组的完全合成。同时,该工作所采用的基因编辑策略的固有特性限制了进一步扩大重编写遗传密码子规模的可能性。[3]
 
2016年,George Church 又报道了将大肠杆菌密码子由64个密码子压缩为57个密码子的尝试,提出了先将4Mb的基因组拆分成87个约50kb大小的片段并单独构造了片段替换的菌株,再整合到同一个基因组中的设想。[4]
 
“未来对全基因组遗传密码子的重编码将会成为遗传工程领域的一项巨大的飞跃,一旦实现,将意味着合成生物学从基础科学向产业转化的序幕正式被拉开。” 在谈到在整个基因组范围内实现编码氨基酸的遗传密码子同义压缩的可能性时,哈佛大学教授 Don Ingber 在2013年表示 [5]。
 
今天, Chin 团队正式实现了六年前 Don Ingber 所畅想的这项壮举。
 
此项研究具有怎样的意义?     
 
“密码子的重编写挑战了生命的基本公式,” 帝国理工学院的合成生物学家 Tom Ellis 在接受STAT 采访时说,“你将可以利用自然提供给我们的原材料做一些完全不同的事情。” Tom Ellis 解释说,通过重编写遗传密码子,人们将有可能在体内合成含有非经典氨基酸的新蛋白,这种新蛋白未来在临床上具有潜在的医学价值。
 
Church 在接受 STAT 采访时则表示,Syn61 可能具有对病毒感染更好的抵抗性,假如应用在工业生产,有可能为生物制药产业节省下由于病毒感染所导致的每年上百万美元的经济损失。[6]
 
“密码子同义压缩的细菌未来将可以合成非经典的生物聚合物,这具有生产新型材料和医药的潜力。” 该研究通讯作者 Jason Chin 告诉《知识分子》。
 
近些年来,合成生物学发展迅速,其安全性也一直备受关注,由于遗传密码子被重编写的大肠杆菌可能对病毒产生抗性,因此一旦从实验室环境泄露到外界,可能会超出人力所能控制的范围。[7]
 
“Syn61菌株相比于野生型大肠杆菌生长速率较慢,预计在实验室外竞争不过其他细菌。” Chin 介绍说。他同时表示,“ 随着合成生物学领域的发展,有必要进行广泛的讨论,以确保有合适的保护措施。” 
 
 参考文献:
[1] Julius Fredens et al., (2019) Total synthesis of Escherichia coli with arecoded genome. Nature. DOI: 10.1038/s41586-019-1192-5
[2] Kaihang Wang et al., (2016) Defining synonymous codon compression schemes bygenome recoding. Nature. DOI: 10.1038/nature20124
[3] Isaacs,F.J et al., (2011) Precise manipulation of chromosomes in vivo enablesgenome-wide codon replacement. Science. DOI: 10.1126/science.1205822
[4] OstrovN et al., (2016) Design, synthesis, and testing toward a 57-codon genome.Science. DOI: 10.1126/science.aaf3639
[5] https://wyss.harvard.edu/radical-recoding/
[6] https://www.statnews.com/2019/05/15/recoded-bacteria-genome-made-from-scratch/
[7] John Bohannon, (2016) Biologists areclose to reinventing the genetic code of life. Science. DOI: 10.1126/science.aah7205
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