如何评价中国创建全球首例人造单染色体真核细胞？有何科学价值？ 第1页

详细版本 @中科院之声 和 @孟凡康 都已经回答的很精彩了，大家可以去了解一下。

我这里就用大白话说一下，这个研究牛在哪里？

1，人类首次人工合成真核细胞

真核原核相信大家在高中生物都学过这里就不赘述了，但是在这之前，人类要不是合成细菌，要不是合成染色体，大体就相当于造出发动机和造出能开的车的区别。尽管我们知道合成了染色体基本上就等于合成了细胞，但之前毕竟还是没合成嘛。

2，合并了多条染色体

我们知道人有46条染色体，酵母有16条染色体，为什么会有这么多呢？你猜？

想起了知乎上常见的一句话：太长不看。

可能生物也觉得染色体“太长不看”，所以就干脆分开了

染色体太长了可能也有坏处（比如基因翻译表达效率，比如染色体构象和修饰本身也会影响基因表达等等），这是从结果论推出来的，毕竟我们总得解释一下人类为啥不是1条2条而是46条嘛。

这次中科院科学家把16条染色体合并到一条上来，结果发现，似乎也没事，至少目前看起来，这酵母很安详的，情绪稳定。

未来的狂想

这次合成1条染色体其实相当于把16条染色体组装起来成一条，那么下一步要进行的是，是否可以直接把所有基因丢上去呢？甚至实现基因随机重排呢？

如果这个可以实现的话，那么我们复活那些灭绝的生物也是可行的了。

比如，恐龙已经灭绝了，我们根本找不到恐龙的DNA，只能推测恐龙有什么样的基因，比如既然鸡是恐龙的后代，那么估计不少基因和鸡相似，再找些爬行类特有的基因，然后这个时候问题来了：恐龙有几条染色体？？？

你如果搞不清楚这个，很麻烦啊。但是这个研究告诉我们，也许把恐龙的所有基因丢到一条染色体上，也是可以的，这就容易多了。

————有问题没？————

当然有的，相信很多人看完后一定会想这个东西有没有不足之处

1，其实这个酵母的竞争力比不过原生酵母

这说明我们单染色体酵母还是比不上自然选择出现的多染色体酵母，也就论证了自然界出现多染色体，肯定是有道理的

2，染色体三维结构的意义还是不容小觑

现在流行3D，其实人体的染色体本来就是3D的，过去我们只是简化成了线性的，现在有HI-C技术了，开始探讨真实的3D结构下的染色体问题。

16条染色体嗨起来的效果和1条染色体嗨起来是有区别的。染色体构象研究一直是这些年的前沿领域，染色体结构不一样影响大不一样。

说个简单例子，你从北京到南京，最快的速度是走直线嘛，不仅两点之间，线段最短。

但是如果把地球折一下，让北京和南京来个头顶对头顶，那么你去南京就像出家门，一下子就到了。这就是空间构象的意义。

下面随手画个图，本来的ABC，可能会变成ACB了。

所以未来还是要探究染色体三维结构的影响以及到底几条染色体才是比较好的

感谢邀请。祝贺覃老师以及相关团队，为中国能有这样原创性的成果感到激动和骄傲。

美国时间8月1日的这天关于酵母基因组发表了多篇重磅研究工作。

总结一下美国时间8月1日（北京时间8月2日凌晨）发生的几件与酵母染色体相关的大事件：

1. 中国植生所覃重军课题组及相关合作课题组创造了一个单染色体酵母丨Nature

2. 纽约大学Jef Boeke团队创造了双染色体酵母丨Nature

3. 酵母一号染色体从头合成完成丨Biorxiv

为什么大家喜欢在8月1号这天发表生物领域的重磅研究工作呢？因为这天的英文缩写表示为：AUG 1st。其中AUG正是基因表达的第一个起始密码子，这种巧妙的契合也让大家喜欢在这天发表重要的工作。

好了，接下来让我们进入正题，我将对中国植生所覃重军课题组及相关合作课题组发表的文章《Creating a functional single chromosome yeast》进行简要的总结和解读。

自然界中真核生物的染色体数目各异，绝大多真核生物都包含多条染色体，比如人类有46条染色体，狗有78条染色体，而有的蝴蝶的染色体数目多达200条以上！当然也存在一些特殊的情况，比如雄蚁Myrmecia pilosula则仅含有一条染色体。就今天我们谈论的主角酵母来说，不同种类的酵母的染色体数目也是多样的，比如同属于酵母的酿酒酵母单倍体拥有16条染色体，而另一种粟酒裂殖酵母却只有3条染色体。

所以我们就会对这种现象存在疑问，为什么不同的真核生物会存在不同的染色体数目呢？染色体的数目的多少是否对真核生物存在明确的生物学意义？从开头的介绍中我们已经知道，不同的生物拥有不同的染色体数目，而且并不是染色体数目越多就代表着进化上更加高级，因为你很难说蝴蝶或者狗狗在进化上相比人类更加高级。

我们知道原核生物大多只拥有一条环状的染色体，而前面也提到雄蚁Myrmecia pilosula则仅含有一条染色体就可以维持生命的存在。所以科学家就在思考那么有没有可能通过一条染色体，来承载真核生命的所有遗传信息维持生命的存在呢？

美国时间8月1日（北京时间8月2日凌晨），来自中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所的覃重军课题组、赵国屏院士课题组以及中科院生化细胞所周金秋课题组组成的合作团队在《自然》杂志发表的文章《Creating a functional single chromosome yeast》回答了这个问题：答案是肯定的。

在这篇文章中，科学家首次通过实验手段，实现对一个物种的染色体数目进行系统和大规模的改造，创造了仅含有单条染色体的真核酵母细胞。

对于文章具体细节的介绍和解读已经很多，具体内容可以查看一下链接。

在这里我想对文章的具体内容进行一个简要的总结。

A. 为什么要这么做？这么做基于的知识背景是什么？

• 几乎所有的真核生物都是多染色体，但是存在少数真核生物如雄蚁Myrmecia pilosula则仅含有一条染色体。
• 真核细胞中染色体的数量并没有与细胞本身有着明确的关联。
• 同时真核拥有多染色体似乎并没有赋予其进化上的意义，因为不同真核生物间的染色体数目差异很大。这和生物基因的数量关系比较类似，并不是基因数量越多就代表进化上更加高级。

B. 构建单染色体酵母的基本原理

1.这个过程需要15轮染色体end-to-end的融合连接过程，在这个过程中一共删除了15个中心粒以及30个端粒序列。

2.在融合的过程，遵循着以下步骤以及原理：

• 为了形成融合稳定的染色体，同时避免双着丝的染色体，必须同时一个着丝粒和两个端粒：这个过程主要是利用了两个工具—第一个是高效的CRISPR-Cas9切割系统，第二个是酵母中的同源重组系统。
• 唯一的一个中心粒最终故意的大致放在了单染色体的中间部位，目的是保持两个臂的平衡。
• 染色体融合的顺序是随机选择的。研究组之前做过实验，证明过不同的组合（8组）均可以成功的实现融合，得到的酵母株系和野生的株系生产状态基本一致，这也说明染色体融合的顺序是可以随机选择的。
• 因为要对着丝粒和端粒进行删除，所以需要考虑删除的序列不会影响周围相连的基因。
• 此外，和端粒相关的长重复序列（长约2KB，在不同的染色体上都有）最终也被删除了，原因是为了避免潜在的同源重组。

C. 单染色体酵母长什么样？与野生型有什么区别？

简单与野生型相比，单染色体酵母的三维结构发生了巨大的改变，主要由于三点原因：

• 着丝粒相关的染色体间的相互关联全部丢失
• 端粒相关的染色体间的相互关联大部分丢失
• 染色体内部的相互关联丢失了67.4%

同时单染色体酵母能够支持细胞生命的存在，但是在不同环境、竞争条件下配子产生以及存活率上均受到了负面的影响。

D. 关于文章的讨论与思考：

• 合成生物学的快速发展促使了对酵母的设计和改造，比如著名的酵母基因组合成计划Sc2.0。这些改造和设计后的酵母基本与野生的酵母一致，这也从一定程度上说明了酵母这种生物可以容忍大规模的基因组工程化改造。
• 这是人类第一次在实验室中创造了单染色体真核生物。
• 之前诸多工作表明染色体在细胞核的位置以及染色体间的相互作用可以影响基因表达。但是单酵母染色体使得原有的染色体三维构型发生了巨大的变化，同时单染色体酵母的转录组却几乎没有发生变化。这些观点都表明染色体间的相互作用对于酵母全局的基因转录的影响几乎是可以忽略的（这一点直接挑战了对染色体三维结构的研究领域）。
• 同时结果比较让人惊讶的是：单独一个着丝粒，仅仅125bp长就能够支持一个11.8Mb巨型染色体的分离过程，这种巨型的染色体比野生酵母中最长的染色体的长度成了8倍之多。
• 当然染色体的增长也一定带来了诸多的负面影响。比如通过分析发现，涉及DNA复制压力的相关基因上调，这表明染色体的增长增加了DNA复制过程的压力。同时结果中还发现单染色体酵母有倾向于形成多倍体的趋势，这表明染色体在分离过程中的确存在缺陷。这可能对配子产生以及生存能力造成负面影响。
• 同时这种负面结果的产生，比如分离缺陷或者DNA复制压力增加的现象，可以在一定程度上解释为什么真核基因组需要组织成多染色体形式。

（后续添加，包括对评论区的一些回复）我认为最直接的意义在于证明了真核系统多染色体的存在意义与细胞的核心功能关联并不是很大。这与生物的进化程度与基因组大小没有直接关联是相通的，即染色体的数量多并不代表着生物处于进化树的更高层次。同时染色体的数目的减少（基因整合在一起），仍然可以维持复杂的生物系统运行。

同时端粒作为多次获得诺贝尔奖级别的成果，在真核酵母中的单染色体改造中发现其作用并没有体现出来，这一点比较让人意外。

同时文章中直接提到色体三维构型发生了巨大的变化，同时单染色体酵母的转录组却几乎没有发生变化。这些观点都表明染色体间的相互作用对于酵母全局的基因转录的影响几乎是可以忽略的。这对于研究染色体三维甚至四维结构的领域是一个不小的冲击。

同时这此工作是在酵母中完成的，酵母号称是“真核生物的大肠杆菌”。我曾在一篇文章中提到这点，链接：真核细胞合成生物学面临的挑战。酵母的整个基因组相对来说更加容易改造同时复杂度相对也小于其他的高等生物，所以单染色体的设计策略能否应用于其他的高等生物，比如植物，甚至哺乳动物细胞，还是未知的，需要进一步探索。

同时染色体的单一化在酵母中虽然支持生命系统的运行，在宏观的转录组层面也没有很大的改变，但是很显然这样大规模的改变一定会对酵母产生影响的，这种影响可能需要更多的实验来探索，比如单染色体酵母在进化上的表现如何？

E. 最后再多说一点

同期来说，还有另一篇工作背靠背发表在《自然》杂志，名为《Karyotype engineering by chromosome fusion leads to reproductive isolation in yeast》，来自著名学者、纽约大学的Jef Boeke教授。这篇工作最终获得了只含有两条染色体的酵母株系。但是个人来说，我认为这一次中国科学家的创新性、前瞻性以及工作细致程度相比于国外的团队来说均处于领先水平。当然两项科研工作均值的尊重和肯定，均是推动人类理解生命本质的发展成果。

今天中午看Twitter，看到Jef Boeke教授也是连发几条推特，对覃老师以及相关人员工作大加赞扬。

同时看到相关覃老师的报道了解到了覃重军老师很不容易的坚持，值得我等青年研究人员尊敬和学习。

“在这次竞争中，我们可以说完胜了美国科学家！”覃重军掩抑不住内心的兴奋。美国科学院院士杰夫·博伊克是研究酿酒酵母的遗传学大家，国际酵母基因组计划的总负责人。2017年，美国《科学》杂志发表的七篇有关酿酒酵母全基因组合成论文的工作，就是由他主导。当时，中国科学家参与其中，并发表了四篇论文。
“如果没有七八年前从传统的链霉菌分子操作研究向合成生物学的痛苦转型，就无法获得今天的成功。”覃重军在接受记者采访时说，过去五年中，他写下了超过2000页的科学思考和实验设计，每一页内容都见证了过程的曲折。
2011年，覃重军从构建模块化简约化大肠杆菌和天蓝色链霉菌底盘细胞入手，建立起了一支精干的研究团队，并与同事尝试创新一系列高通量基因组操作体系。就在最困难的时候，他获得了来自中科院、植生所的经费支持，“我是研究所里有名的经费‘负翁’，但终于成功了！”

祝贺覃老师以及相关团队，为中国能有这样原创性的成果感到骄傲！

参考文献：

1. Shao, Y. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-018-0382-x (2018).

2. Luo, J., Sun, X., Cormack, B. P. & Boeke, J. D.Nature https://doi.org/10.1038/s41586-018-0374-x(2018).

3. Yeast chromosome numbers minimized using genome editing

不清自来，科普版本其他答案写的很精彩。就不赘述了。题目说的是科学价值，所以我结合论文一张图讲讲吧。

这篇论文一个比较有意思的点，构建了单染色体酵母之后，研究了Intra-chromosome interaction（染色体内部的互作）以及inter-chromosome interaction（染色体之间的互作）的变化，也就是论文的图3(下图）。

BY4742, SY6, SY13 和SY14，分别代表原始的含有16条染色体，合成的只含有9条，2条，以及最终1条染色体的酵母（对应原文BY4742 and SY14 cells and on two intermediate strains— SY6 (containing nine chromsomes: seven fused and two native) and SY13 (containing only two fused large chromosomes）。图3是基于HiC实验做的，图3b是经过HiC实验数据，建模算出来的。关于HiC以及3D基因组学的实验技术，一个比较好的综述见Genome-wide mapping and analysis of chromosome architecture.

图3a，b，c是证明，染色体之间互作的变弱了，变少了。

但是妙的是，图3d（以及补充材料的图3和图5）说明了染色体内部互作的pattern在如此剧烈的改变之下，还是比较保守的。所以文章后面发现基因表达谱整体变化其实不怎么大（图4a，见下图)，也是可以解释的，因为染色体内部的高级结构才是基因转录调控发生的主要舞台。

在3D基因组研究中，已经有很多证据说明，染色体内部的互作对于转录调控以及正常的生命活动是不可或缺的了。一个比较经典的案例，在我们的胎儿阶段，是如果WNT6/IHH/EPHA4/PAX3附近的TAD（拓扑关联结构域，染色体内部高级结构的一种）消失了，就会出现所谓增强子劫持现象，导致转录调控的紊乱，最终导致手指的发育异常，文献见Disruptions of topological chromatin domains cause pathogenic rewiring of gene-enhancer interactions

本项创新性和影响力其他报道已经很多了，而且大家从朋友圈和媒体的刷屏也可以感受到，所以就不在赘述。不过从方法学和技术层面来讲，这篇文章对研究者也有很多启示。比如为了探索这项合成生物学的研究所关心的生物问题，在合成生物学研究所需要的基础的分子生物学实验以及强有力的基因编辑技术之外，还用了高通量，多组学的技术手段：比如要获得最终合成的SY14的基因组，以及与原始的BY4742的基因组进行比较，作者用了基于PacBio的单分子测序，进行基因组的测序以及组装，并且用了基于Illumina的二代测序技术进行重测序，验证组装的基因组效果（补充材料图2）；为了比较SY14和原始的BY4742基因组空间结构的变化，作者用了HiC技术，并且从分析中得到染色体之间的互作减少，染色体内部互作不变的结论；探索表达谱变化，用到了RNA-seq；探索表型变化，用了Phenotypic microarray（表型组？还请懂这个的知友解释）。

总之，从方法学上来讲，这篇文章，展示了生物信息学在合成生物学研究中的重要性；以及合成生物学研究，能为生物信息学中的的实验技术和分析方法，提供一个广阔的应用平台。