2017年3月10日源武，天津大學(xué)化工學(xué)院系統(tǒng)生物工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室元英進(jìn)團(tuán)隊(duì)在同期《科學(xué)》雜志發(fā)表了題為《化學(xué)合成十號染色體缺陷靶點(diǎn)定位與生長表征》（Bug mapping and fitness test of chemically synthesized chromosome X.Science 355, eaaf4706 (2017))和《完美設(shè)計(jì)合成V號染色體及其環(huán)化表型研究》（“Perfect” designer chromosome V and behavior of a ring derivative. Science 355, eaaf4704 (2017)）的兩篇研究長文扼褪。
文章報(bào)道了全化學(xué)合成重新設(shè)計(jì)的真核生物釀酒酵母十號染色體，長達(dá)707 Kb粱栖，創(chuàng)建了一種高效定位生長缺陷靶點(diǎn)的方法（pooled PCRTag mapping[PoPM]）话浇，解決了合成型基因組導(dǎo)致細(xì)胞失活的難題，并且提供了一種表型和基因型關(guān)聯(lián)分析的新策略闹究，有助于延伸對基因組和細(xì)胞功能的認(rèn)知(Science 355, eaaf4706 (2017))幔崖；首次報(bào)道了精確匹配設(shè)計(jì)序列的真核生物染色體的化學(xué)合成，驗(yàn)證和評判了當(dāng)前真核生物人工染色體的設(shè)計(jì)原則渣淤。同時(shí)赏寇，開發(fā)了定制化人工構(gòu)建釀酒酵母環(huán)形染色體的方法，為研究染色體重排价认、癌癥嗅定、衰老、人類染色體異常疾病等提供了新的研究思路和研究模型(Science 355, eaaf4704 (2017))刻伊。
重大意義
人工設(shè)計(jì)與合成生命是人類長久以來的夢想，DNA編碼了生命的遺傳信息椒功，基因組的合成標(biāo)志著人類對生物本質(zhì)的研究進(jìn)入了生命合成階段捶箱。病毒基因組的合成開啟了人類基因組化學(xué)合成研究，原核生物和真核生物基因組合成的研究不斷取得突破动漾，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)全合成基因組對單細(xì)胞原核生物和真核生物的生命調(diào)控丁屎。人工合成基因組的尺度和復(fù)雜度的不斷提升，向科學(xué)界對生物體運(yùn)作方式以及生命本質(zhì)的認(rèn)知提出了越來越大的挑戰(zhàn)旱眯。
2010年晨川，美國科學(xué)家利用化學(xué)方法得到了能夠發(fā)揮正常功能的全新支原體細(xì)胞，標(biāo)志著人工合成原核生物活性基因組的研究取得重大突破删豺。該研究同時(shí)報(bào)道了在人工合成基因組過程中共虑，即使是單堿基對的刪除也可能導(dǎo)致合成型基因組的失活。原核生物的基因組相對簡單呀页，而動物妈拌、植物、真菌等等真核生物的DNA既豐富又復(fù)雜蓬蝶，來自美國尘分、中國、英國丸氛、法國培愁、澳大利亞、新加坡等國家的科學(xué)家形成了人工合成釀酒酵母基因組國際聯(lián)盟（Sc2.0）缓窜，旨在利用一系列設(shè)計(jì)原則對真核生物釀酒酵母基因組進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并化學(xué)再造定续。
真核生物基因組序列信息的龐大谍咆，和當(dāng)前研究對生命本質(zhì)認(rèn)知程度的不足，導(dǎo)致真核生物基因組的重新設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)高于原核生物香罐。人工設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的各種紕漏會導(dǎo)致攜帶合成型染色體細(xì)胞的生長適應(yīng)性降低乃至致死卧波，造成對現(xiàn)行真核生物基因組設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法的評價(jià)與改進(jìn)難度非常大。
癲癇庇茫、智力發(fā)育遲緩港粱、白血病等多種人類遺傳疾病和癌癥的發(fā)生與染色體成環(huán)密切相關(guān)，目前尚無有效的治療手段旦签。以合成型釀酒酵母環(huán)形染色體為研究對象查坪，可以加快在基因組重排、環(huán)形染色體進(jìn)化領(lǐng)域的研究進(jìn)度宁炫，為人類環(huán)形染色體疾病偿曙、癌癥和衰老等提供研究與治療模型。
科學(xué)問題與技術(shù)難題
釀酒酵母是第一個(gè)被全基因組測序的真核生物羔巢。大尺度的設(shè)計(jì)和重建酵母基因組是對目前酵母領(lǐng)域知識貯備的真實(shí)性望忆、完整性和準(zhǔn)確性的一個(gè)直接考驗(yàn)。酵母基因組合成國際計(jì)劃（Sc2.0）旨在構(gòu)建一個(gè)人工設(shè)計(jì)和全合成的釀酒酵母基因組竿秆。
人工基因組的設(shè)計(jì)遵循三點(diǎn)原則：保持人工細(xì)胞生長狀態(tài)接近野生型启摄、增加基因組穩(wěn)定性和增強(qiáng)遺傳操作靈活性。
問題1：在基因組尺度的DNA合成中面臨的一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是定位人工基因組中影響細(xì)胞長勢的序列幽钢，即缺陷（bug）歉备。常規(guī)的排除缺陷（debugging）的方法包括：1）將合成型DNA分段檢測，逐步鎖定靶點(diǎn)匪燕，缺點(diǎn)是耗時(shí)耗力蕾羊，對于多靶點(diǎn)引起生長缺陷的問題難以定位；2）利用減數(shù)分裂染色體鏈交換得到合成型DNA和野生型DNA的拼接結(jié)構(gòu)帽驯，再逐個(gè)檢測孢子龟再，收集整理大量孢子的表型和基因型數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析鎖定缺陷靶點(diǎn)尼变，缺點(diǎn)依舊是需要大量的時(shí)間和人力吸申。化學(xué)合成的基因組能否具有正常的生物學(xué)功能享甸，是否影響細(xì)胞對不同環(huán)境的適應(yīng)性截碴，是哪些基因哪段序列影響細(xì)胞生長？急需一種高效的定位細(xì)胞生長缺陷靶點(diǎn)的方法來加快合成基因組學(xué)的發(fā)展蛉威。此外日丹，通過生長缺陷靶點(diǎn)的定位，可以修正和補(bǔ)充當(dāng)前的認(rèn)知蚯嫌，指導(dǎo)未來的基因組設(shè)計(jì)(Science 355, eaaf4706 (2017))哲虾。
問題2：在人工設(shè)計(jì)合成基因組的研究中丙躏，實(shí)際序列與設(shè)計(jì)序列的精確匹配對于系統(tǒng)性評價(jià)當(dāng)前真核生物的設(shè)計(jì)原則至關(guān)重要。全基因組范圍內(nèi)發(fā)生非常小的核苷酸變化束凑，都可能對生物表型產(chǎn)生重大影響乃至致死晒旅。因此，超長人工DNA片段的精準(zhǔn)合成難題亟待解決汪诉》狭担基因操作導(dǎo)致的核苷酸變化在全基因組范圍隨機(jī)分布，種類繁雜扒寄，同時(shí)真核生物基因組復(fù)制過程中會產(chǎn)生核苷酸變化鱼鼓，為基因組的精確、快速修復(fù)帶來巨大挑戰(zhàn)(Science 355, eaaf4704 (2017))该编。
問題3：真核生物基因組呈線性迄本，快速、定制化的染色體環(huán)化技術(shù)相對缺乏课竣，對環(huán)形染色體疾病的研究與治療造成障礙(Science 355, eaaf4704 (2017))嘉赎。
主要科學(xué)突破
元英進(jìn)團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地利用加注的標(biāo)簽系統(tǒng)和混菌策略，創(chuàng)建了一種高效定位缺陷靶點(diǎn)的方法于樟，即“混菌PCR標(biāo)簽定位法”（pooled PCRTag mapping[PoPM])公条。通過缺陷靶點(diǎn)的定位與修復(fù)，挖掘出了未知的酵母生物學(xué)新知識隔披，如：YJR120W基因的3‘端loxPsym位點(diǎn)的引入影響附近基因ATP2的表達(dá)赃份；必需基因FIP1重編碼會引入新的轉(zhuǎn)錄因子Rap1p的潛在結(jié)合位點(diǎn)寂拆。
另外奢米，研究團(tuán)隊(duì)利用酵母減數(shù)分裂同源重組機(jī)制修復(fù)了合成型染色體上的大片段重復(fù)和重排的變異結(jié)構(gòu)。PoPM可適用于任何有水印標(biāo)識的合成型染色體的缺陷定位纠永，是排除化學(xué)基因組缺陷的有力工具鬓长，也是定位表型和基因型關(guān)系的新策略，有望顯著提升人類對基因組結(jié)構(gòu)和功能的理解尝江。(Science 355, eaaf4706 (2017))涉波。
創(chuàng)建了多級模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化染色體合成方法，建立了一步法大片段組裝技術(shù)和并行式染色體合成策略炭序，實(shí)現(xiàn)了由小分子核苷酸到活體真核染色體的定制精準(zhǔn)合成啤覆。建立了基于多靶點(diǎn)片段共轉(zhuǎn)化的基因組精確修復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了真核染色體化學(xué)合成序列與設(shè)計(jì)序列的完美匹配惭聂，該技術(shù)的突破為基因組的重新設(shè)計(jì)窗声、功能驗(yàn)證與技術(shù)改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)構(gòu)建了一組合成酵母V號染色體環(huán)形模型辜纲，并通過人工基因組中設(shè)計(jì)的特異標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞分裂過程中染色體變化的追蹤和分析笨觅，為研究當(dāng)前無法治療的環(huán)形染色體疾病的發(fā)生機(jī)理和潛在治療手段建立了研究模型 (Science 355, eaaf4704 (2017))拦耐。
