史无前例！中国科学家4篇论文齐上《科学》封面(2)

其中，元英进带领的天津大学团队完成了5号、10号(synV、synX)染色体的化学合成，并开发了高效的染色体缺陷靶点定位技术和染色体点突变修复技术；戴俊彪研究员带领清华大学团队完成了当前已合成染色体中最长的12号染色体(synXII)的全合成；深圳华大基因研究院团队联合英国爱丁堡大学团队完成了2号染色体(synII)的合成及深度基因型－表型关联分析。

“人工合成基因组的尺度和复杂度的不断提升，向科学界对生物体运作方式以及生命本质的认知提出了越来越大的挑战。在基因组尺度的DNA合成中面临的一个巨大挑战，是定位人工基因组中影响细胞长势的序列，即缺陷(bug)。常规的排除缺陷(debugging)的方法有三种，都有费时耗力、效率不高的缺点。”元英进团队成员、“10号染色体”文章第一作者、天津大学博士生吴毅介绍说：在合成长达770kb(kb：千碱基对)的酿酒酵母10号染色体的过程中，我们创建了基因组缺陷靶点快速定位与精确修复方法，解决了全化学合成基因组导致细胞失活的难题。我们所得到的全合成酵母染色体具备完整的生命活性，能够成功调控酵母的生长，并具备各种环境响应能力。此方法在化学合成基因组研究中具有普适性，并且作为一种新颖的表型和基因组关联性分析的策略，有望显著提升我们对基因组结构和功能的认知。”

“5号染色体”文章第一作者、天津大学博士生谢泽雄说，在全面推进Sc2.0计划的过程中，我们建立了基于多靶点片段共转化的基因组精确修复技术和DNA大片段重复修复技术，解决了超长人工DNA片段的精准合成难题。同时，我们首次实现了真核人工基因组化学合成序列与设计序列的完全匹配，系统性支撑与评价了当前真核生物的设计原则。该技术的突破为研究人工设计基因组的重新设计、功能验证与技术改进奠定了基础。利用化学合成的酵母5号染色体定制化建立了一组环形染色体模型，通过人工基因组中设计的特异性水印标签实现对细胞分裂过程中染色体变化的追踪和分析，为研究当前无法治疗的环形染色体疾病、癌症和衰老等发生机理和潜在治疗手段提供了了研究模型。此外，我们发展了多级模块化和标准化基因组合成方法，创建了一步法大片段组装技术和并行式染色体合成策略，实现了由小分子核苷酸到活体真核染色体的定制精准合成。”

清华大学的戴俊彪团队，则设计合成了12号染色体。在研究中，他们开发了长染色体分级组装的策略，即：首先通过大片段合成序列，在6个菌株中分别完成了对染色体不同区域内源DNA的逐步替换；然后利用酵母减数分裂过程中同源重组的特性，将多个菌株中的合成序列进行合并，获得完整的合成型染色体。针对12号染色体上存在的高度重复的核糖体RNA编码基因簇进行删除及工程化改造，并利用修改后的重复单元在基因组多个位点重建了核糖体RNA编码基因簇。“该工作奠定了未来对其他超大、结构超复杂的基因组进行设计与编写的基础，同时也证明了酵母基因组中rDNA(核糖体DNA)区域及其他序列均具有惊人的灵活度与可塑性。”戴俊彪表示。

深圳华大基因研究院与英国爱丁堡大学共同完成2号染色体的从头设计与全合成(长770 Kb)，合成酵母菌株展现出与野生型高度相似的生命活性。该论文的第一作者、深圳国家基因库合成与编辑平台负责人沈玥介绍说，科研人员使用“贯穿组学(Trans-Omics)”方法，从表型、基因组、转录组、蛋白质组和代谢组五个层次系统地进行基因型－表现型的深度关联分析，证明了人工设计合成的酿酒酵母基因组可增加、可删减的高度灵活性。”

令人欣喜的是，华大基因与爱丁堡大学合成的酵母菌株，不仅与野生型有高度相似的生命活性，而且对环境的适应性大大加强，其进化速度呈几何级提高。

人工合成4条酵母染色体，价值几何？

“2000年公布的人类基因组测序，中国只承担了百分之一的工作，这次我们完成了酿酒酵母染色体合成的四分之一，可以说是中国在合成生物学领域取得的突破性成果，进一步奠定了我国在这一领域的国际地位。”杨焕明说，“两相比较，不难看出我们在生命科学研究领域的巨大进步。在酿酒酵母设计与合成研究中，我们已由‘跟跑’转为‘并跑’，今后‘领跑’也不是不可能。”

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