基因组的设计与工程化构建
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人工设计与合成真核生物酿酒酵母基因组
酿酒酵母是最简单的单细胞真核模式生物，对其基因组的重新设计及人工合成并进行功能研究将极大地推动人类对生命理解及改造能力。“酿酒酵母基因组合成计划”（Sc2.0 项目）是人类首次尝试改造和从头合成真核生物。Sc2.0 项目是由美国科学院院士 Jef Boeke 发起，由多国研究机构参与并分工协作，对真核模式生物酿酒酵母 16 条染色体进行人工重新设计和化学再造，是继原核支原体基因组合成项目之后，合成生物学领域的又一重大标志性国际合作项目。最先完成的是 3 号染色体的全合成与替换，2014 年在 Science 杂志报道。2017 年，Science 杂志以封面、专刊的形式同时发表了介绍“人工合成酵母基因组计划”已完成 2 号、5 号、6 号、10 号和12 号这 5 条染色体的从头设计与全合成的研究，研究人员把经过设计的人工合成染色体导入酿酒酵母中，并保证带有人工合成染色体的酵母菌仍能够正常存活。我国天津大学、清华大学、华大基因研究院和 Boeke 院士一起合作，完成了其中 4 条染色体的全合成及功能验证，进一步证明了人工合成生命体系的可行性。对酵母 16 条染色体的人工设计内容，包括终止密码 TAG 被 TAA 代替，引入了 loxP 重组位点可以允许基因组的快速改变，引入 PCR 检测标记及限制性内切酶识别位点，以及敲除 tRNA 及重复序列等。这些设计及改变不会对酵母的生长有明显的影响等。前期人工合成和构建的酿酒酵母染色体引入了很多 loxP 重组位点，诱导 Cre 切割 loxP 位点，任意两个 loxP 重组位点之间的序列可以发生倒转、缺失或重复。这个技术被称为 SCRaMbLE，可以用于染色体快速重排。通过定向筛选，可以很快找到对微生物细胞工厂性能提升、生命快速进化和人类染色体异常疾病等研究有用的菌株。
2018 年，以中国科学院覃重军研究组为主的研究团队通过 15 轮的染色体融合将酿酒酵母天然的 16 条染色体逐一融合，人工创建了只含有单条线型染色体的酵母细胞（SY14）。在染色体的人工逐一融合过程中，构建了从 SY0 到 SY13 的染色体数目不断减少的一系列中间菌株，最终构建的 SY14 菌株删除了 15 个着丝粒、30 个端粒、19 个长的重复序列（图 1）。单条染色体在三维结构上有极大的改变，但是单染色体的酵母具有与野生型细胞相似的转录组和表型组。不仅如此，单染色体的酵母还保持了减数分裂的能力，虽然在产孢和孢子存活率上略有降低。这些都表明单染色体的酿酒酵母可以有正常的细胞功能。