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“16合1”酵母菌背后的那些事兒
來源:中國科學報   發布者:ailsa   日期:2018-08-08   今日/總瀏覽:2/2414

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中國科學家首次創造出單條融合染色體酵母菌的消息,引起了國內外的極大關注。

不過,這篇長文并不“孤單”,一篇來自紐約大學Jef Boeke團隊的短文與它發表在同一期《自然》雜志上。

兩支科研團隊各自獨立地開展了酵母菌染色體融合研究,又不約而同地投往一家雜志。盡管研究“撞題”,但具體實驗及分析各有千秋——這是科學家之間不見硝煙的較量。

一場觀念與思辨的交鋒

“直到投稿時,我才聽說還有其他團隊在做相似的工作?!鳖I銜這項研究的中科院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所研究員覃重軍說。競爭的另一方,是著名科學家、美國科學院院士Boeke和他的強大團隊。

回顧這段歷程,覃重軍對《中國科學報》記者說:“這并非一場時間上的賽跑,而是一次觀念上的交鋒?!?/span>

釀酒酵母菌是最簡單的真核模式生物之一,具有16條染色體。中美兩國的科學家都希望挑戰最大限度的酵母菌染色體融合。最后,Boeke團隊獲得了具有2條染色體的酵母菌,而中國學者把全部16條染色體融合成了一條。

“在技術上我們顯然更勝一籌?!闭撐墓餐ㄓ嵶髡咧?、中科院院士趙國屏說。

兩個團隊的理念差異早在實驗設計之初就出現了。

釀酒酵母的基因組中存在大量重復序列。生物體內這些功能暫且不明的基因序列,被一些生物學家視為具有潛在價值的寶藏。紐約大學團隊在實驗中,就希望盡可能保留全部的基因序列。

“我不這么想?!瘪剀娬f,“我認為生物并不是完美的,這些重復序列有可能是演化過程中的小失誤。于是我決定把它們全部去掉。事實證明,這一操作讓基因組變得更加穩定、更易融合。就像建大廈一樣,把垃圾去掉了,樓才蓋得更高更穩?!?/span>

一個“黏人”的大力士

這項工作開始前,覃重軍就推測染色體融合在理論上可以成功。他唯獨擔心的是著絲粒。

釀酒酵母菌的染色體上各有一個著絲粒?!熬拖?6個小人挑著扁擔,這些扁擔有長有短?!瘪剀姶蛄藗€形象的比方。他們要做的就是刪除掉其中15個,最后由1個著絲粒承擔那個“16合1”的超大染色體。

讓誰來挑超級扁擔?它能挑得動嗎?

有趣的是,最后承擔重任的那個著絲粒,并不來自最大的4號染色體,而是來自另一條較大的15號染色體。

因為研究人員很快發現,這個著絲粒與它兩邊的基因挨得非常緊,不管用什么方法去掉它,都會牽連到一些周圍的基因?!八晕覀冏詈蟛坏貌涣粝滤??!眻F隊里的副研究員薛小莉笑著說。

而紐約大學得到的兩條染色體的酵母菌中,有一條染色體也采用了15號染色體上的著絲粒。

這個著絲?!梆と恕?、“求生欲強”,但它也有真本事。融合后的單條酵母菌染色體長達12Mbp,也能照常發揮自己的功能?!耙粋€平時總挑10斤的小家伙,原來是個能挑100斤的大力士,這是大自然給我們的一個驚喜?!瘪剀姶蛉さ?。

一個不按套路出牌的生物學謎題

人類有46條染色體,狗有78條,一種蝴蝶有450條,而一種小小的蕨類植物竟然有1260條染色體——染色體數目和生命體的復雜程度不成比例。這種不按套路出牌的現象一直讓生物學家困擾又著迷。

“這是一項非常重要的工作。它證明了演化得來的染色體數目并不一定是最優的,而是可以更改的?!敝锌圃荷钲谙冗M院研究員戴俊彪說。

既然酵母菌只用一到兩條染色體就能活得好好的,為什么還會演化成今天16條染色體的狀態呢?Boeke團隊在論文里認真地探討了這個問題,并且提出了三大假設。

首先,這可能與酵母菌在演化歷程中經歷的全基因組復制事件,染色體自發的融合、斷裂等過程有關。

其次,與擁有少數較大染色體的同類相比,擁有16條較小染色體的基因組更容易出現非整倍性。這種變異有時有害,但也有助于酵母菌對嚴峻環境變化做出迅速可逆的適應。

最后,染色體亞端粒區域富含預備基因,這些基因平時被抑制,但能在特定的環境條件下特異性表達。因此,更多的端粒有助于生物更精巧地調控一些生化過程。這也幫助酵母適應復雜多變的環境。

趙國屏也指出,盡管單條染色體酵母菌單獨培養時看起來很正常,但它與野生型酵母菌競爭生長時表現出明顯的劣勢,這或許也暗示著多條染色體具有一定意義。

戴俊彪說:“在把16條染色體融合成一條后,酵母菌依然可以承受。未來我們希望把釀酒酵母作為一個工具,去合成更高等的基因組,這項工作給了我們理論依據和更大的信心?!?/span>

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