遗传学大牛Science重磅成果：改写活体基因组

　　2016年08月25日讯 遗传密码通常包含64个密码子， 但现在来自哈佛大学的研究人员和同事们设计出了只包含57个密码子的大肠杆菌基因组。发表于《科学》（Science）杂志上的一篇论文中，该研究小组描述了这一计算机生成的基因组，并报告了在实验室中合成它的第一阶段。

　　论文的共同作者、哈佛大学George Church实验室博士后Nili Ostrov说：“我们构建出了真正突破基因组极限的东西。我们认为这是全新的，并且我们正在设法了解它是否可行。”

　　在这一预定57-密码子的大肠杆菌基因组中，七个删除的密码子每个均被同义密码子所替换。研究小组对这一项目抱有许多的目标。研究人员提出，在将大肠杆菌的基因组削减到57个密码子后，可以重建7个空白密码子，用来导入非标准的氨基酸；这将为工业应用构建出更广泛的蛋白质打开大门。

　　重新编码的基因组也可以赋予对病毒感染的抵抗力，用于生物控制：当转移RNAs （tRNAs）响应指定的密码子插入一个非标准氨基酸时，从野生型大肠杆菌或病毒中整合进来的DNA不能用来成功地构建蛋白质。这能够让制药业和其他产业中培养的细菌对病毒具有免疫力，从而省下因病毒污染造成的数十亿美元的损失。此外，还可以将一个或多个空白密码子重编码为只能在实验室中获得的一种氨基酸，使得这一工程大肠杆菌在代谢上依赖于科学家们提供的培养基。

　　为了设计出这一基因组，研究小组构建出了一个软件工具，在一段可以在实验室合成的DNA中用同一密码子来替代七个密码子中的每一个。在3,548基因中这一重编码基因组设计替换了62,214个密码子。

　　有了理论上的基因组，Ostrov和同事们开始在活细胞中测试他们的设计。他们将重编吗基因组分为87个片段，每个大约50 kb的长度，平均包含40个基因，并将这一设计转手给生物技术公司合成出了这一DNA。研究人员随后开始将每个片段整合到独立的大肠杆菌菌株中，删除对应的野生型DNA以检测生存力。

　　Church说：“大体上，你可以在体外合成出整个基因组，然后移植这一基因。”他的研究小组开发出了一个管道获取来自活细胞的实时反馈。

　　在他们的论文中，研究人员回顾了对87个基因组片段中的55个（覆盖了63%的重编码基因组）进行验证的结果。这一重编码基因组最初的计算设计并不是很完美：当删除野生型DNA片段时13个必需基因有杀死大肠杆菌的致命错误。作者们写道，尽管他们无法制造一个能充分运行的57-密码子大肠杆菌，但“如此规模的功能改变的基因组还没有被探索过。”

　　该研究小组仍然必须完成对这些合成DNA片段其余部分的验证，然后在体内将它们组合在一起。Church说：“有望很快发表的下一篇论文将赶快完成这一基因组，开始测试病毒抗性一类的事情，看看我们可以加载多少氨基酸，证实生物控制。”

　　Church是遗传学界的大牛，被誉为是个人基因组学和合成生物学的先锋。1984年，Church和Walter Gilbert发表了首个直接基因组测序方法，该文章中的一些策略现在仍应用在二代测序技术中。此外，如今的多重化分子技术和条码式标签也是他发明的，Church还是纳米孔测序技术的发明者之一。

　　CRISPR-Cas9系统使得研究人员能够编辑许多生物体和细胞类型的DNA序列。然而，科学家们也日益认识到可以利用它来激活基因的表达。为此，他们构建出了大量可激活Cas9蛋白的合成基因来研究基因功能或在潜在的治疗方法中弥补不充足的基因表达。在发表于2016年5月23日Nature Methods杂志上的一项研究中，Church研究小组严格对比并列出了在来自人类、小鼠和果蝇等生物的各种细胞类型中最常用的人造Cas9激活子。研究结果为科研人员提供了一个有价值的指南，使得他们能够简化研究努力（遗传学大牛Science发布CRISPR/Cas重要研究成果 ）。

　　5月，哈佛医学院的著名遗传学家George Church和小伙伴们悄悄邀请了130名科学家、律师、企业家和政府官员，在波士顿召开了一次不对外公开的基因组会议。据说，他们在会议上探讨了体外合成完整大基因组的可行性，以及相关项目的实施。Church后来提供给STAT News的一份声明指出，这样的尝试代表着人类理解生命蓝图的新篇章（遗传学大牛将合成完整人类基因组？）。一个月后，他又给生物学领域扔下了一枚大炸弹。他和同事在bioRxiv上提前发表了研究指出，大肠杆菌E. coli的生长速度拖累了科研进展，应当用世界上生长最快的细菌取而代之（Science新闻：遗传学大牛挑战传统模式生物 ）。

　　随着基因组编辑系统的发展，没有什么比CRISPR/Cas更简单的了。然而，在实践中，将该系统限定于预期的位点可能是具有挑战性的，尤其是两个或两个以上的位点只有一个单碱基差异的情况。6月，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的Benjamin Pruitt与 Church实验室的临床研究员Alejandro Chavez合作，为这个问题设计了一个潜在的解决方案，发表在生命科学预印本网站BioRxiv上（遗传学大牛用CRISPR/Cas识别SNPs ）。