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中國產單染色體酵母——驚世力作還是言過其實?

2018-08-14 15:42:16來源:中國科普博覽

“人造生命”,多數百科中的解釋是創造自然界沒有的生命。但是嚴格來講, 這個描述并沒有給其一個清晰定義。如果只要與自然界存在的生命有一點點不同就算是人造,那么生命科學進展到現在,每一株基因重組菌、每一只轉基因動物,都算得上是人造生命:因為它們誕生于人類的實驗室中,本來并不存在于自然界。

而最原始、最嚴格的人造生命的定義,大約應該是“從零開始”,從沒有生命的物質合成出有生命的物質來。而現存的這些所謂人造生命,沒有一個算得上真正的從零開始——它們大多數是將現有生物進行改造得來的。

包括此次的單染色體酵母也是如此,作者們利用自然界的野生酵母,將其多條染色體末端修剪之后首尾相連拼接成一條大型染色體。染色體數量確實從16減少到了1,但是染色體中所包含的基因總量幾乎沒變,就好像把原來分裝在16個小文件夾中的文件歸整到一個大文件夾中——還是那些文件,只不過收納位置不一樣了。

由獅頭、鹿角、鷹爪、蛇身、魚尾拼接而成的中國龍,恐怕是最早的人類對于人造生物的幻想(來源:visualhunt.com)

由獅頭、鹿角、鷹爪、蛇身、魚尾拼接而成的中國龍,恐怕是最早的人類對于人造生物的幻想(來源:visualhunt.com)

當然整理酵母基因組的工作實際操作起來遠比整理文件要困難得多,因為生命尤其是真核生物是非常復雜的系統,有些基因僅僅是換個位置,或者拷貝數上的增減,都會影響到其功能。

與我國學者同時進行研究的美國實驗室即是被困在這樣的陷阱里:他們將16條染色體拼成了2條,卻無論如何不能完成最后的融合,也許就是因為他們沒有拼對這些染色體的排列順序,或者沒有刪除某些冗余基因片段。

正是由這樣的研究我們才得以知道,現階段人類雖然已經可以讀取編碼生命的幾乎全部基因數據,卻并不能透徹理解這些數據的含義——如果我們將基因數據一字不落地抄一遍,勉強可以讓生命從我們的手抄本中誕生;可是要我們選擇性地抄出生命存在不可缺少的那些部分,我們還是一臉茫然。連讀懂都做不到,更不要說譜寫。從“謄寫員”到“作家”,人類還有非常漫長的路要走。

真核生物達到最簡模式了嗎?

在真核酵母之前,曾經有過原核生物被成功改造的歷史 [5]。從十幾年前開始,美國生物學家克雷格·文特爾(Craig Venter)就在實驗室中合成出極為簡單的原核生物,并不斷地嘗試刪除不必要的基因,一次次挑戰著“簡單”的極限。

克雷格·文特爾與他創辦的克雷格·文特爾研究所。(來源:維基百科)

克雷格·文特爾與他創辦的克雷格·文特爾研究所。(來源:維基百科)

與此不同的是,這次對酵母的改造并沒有追求基因數量上的最小值——對于復雜的真核生物來說,只是把現有染色體拼接起來就已經足夠費力了。在真核生物的基因組中,大量充斥著之前被認為是“垃圾DNA”的片段, 而近來的一些研究卻又逐漸揭示了其中一些片段的作用。至于剩下的冗余片段是否真的是垃圾?如果不是的話又有什么作用?也正是這項酵母改造研究的后續令人期待之處。

染色體,“一條”就夠了?

在朋友圈刷屏的文章標題中,有這么一個詞特別刺眼:“只剩一條”。用了這樣極端的限定詞,總會讓人誤以為是很多其他不必要的東西都被刪除掉了,而事實卻并非如此。上面也提到,單染色體酵母最終的一條幾乎是之前全部染色體的總和,從基因的數量來說編輯后的基因組并沒有太多的刪減,此一條非彼一條。

然而從染色體數量上來說,16到1確確實實是非常大的變化。不要覺得只要文件足夠,裝幾個文件夾都是一樣,自然界的現存真核生物會用事實進行有力反駁——絕大多數真核生物都有多條染色體,并且基因在染色體上的位置和排列對于執行其功能非常重要。

舉個最簡單的例子,在人類的生殖細胞形成過程中,如果一條染色體的一小段掉下來,在DNA修復時被連接到錯誤染色體上面去,雖然基因的數量并無增減,但卻會給胚胎的形成和發育造成不同程度的障礙。

染色體的一段發生位置變化會影響基因的表達。(來源:wikipedia)

染色體的一段發生位置變化會影響基因的表達。(來源:wikipedia)

跟人類親緣關系最近的物種黑猩猩,其染色體組與人類非常類似,只是2號染色體分成a、b兩條。因此有科學家提出這樣的說法:2號染色體的融合是人類進化的開端。雖然這種說法有待考證,但是染色體結構與功能的關系顯而易見。

人類與黑猩猩染色體組對比(來源:wikipedia)

人類與黑猩猩染色體組對比(來源:wikipedia)

經由人工改造獲得的單染色酵母存在哪些生理缺陷?

在單染色體酵母中,染色體的合并也確實給酵母的繁殖造成了影響。在普通培養條件下,單染色體酵母比野生型單倍體酵母的繁殖速度稍微慢一點,其通過有性生殖產生的二倍體(即單染色體加倍)酵母的繁殖速度也稍慢于野生型。

然而,單染色體酵母的二倍體中,有三分之一的菌落在有絲分裂時無法維持正常的染色體數目。在有性生殖時,單染色體酵母的二倍體產生的孢子數量和活力上都要劣于野生型。

培養皿中的念珠菌菌落,隸屬于酵母屬(來源:Nathan Reading on VisualHunt.com)

培養皿中的念珠菌菌落,隸屬于酵母屬(來源:Nathan Reading on VisualHunt.com)

如果把單染色體酵母和野生型酵母混合進行競爭性培養,單染色體酵母生長繁殖上的劣勢就更加明顯。這樣的結果就說明,擁有多條染色體的物種無疑有更強的生存競爭能力,可以在自然惡劣的條件下存活繁衍。

也許在酵母的自然進化中也曾經出現過只擁有一條染色體的菌株,只不過因為沒能抵御環境和同類的挑戰而消失在漫長的歷史當中了。

關鍵詞: 染色體 酵母 力作

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