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只把重要的基因拼接起来,具体方法很野蛮

Micah Baldwin / CC BY-SA

如果只把有用的基因拼接起来,会变成什么样?

徐志超,生物信息学,生物化学,遗传学

这是一个很有趣的问题,要回答这个问题不得不提一个人,他叫 Craig Venter。

Craig Venter 是全基因组鸟枪法测序的提出者,当年在人类基因组计划中凭借自己一家公司和全世界主要国家政府开展测序比赛,最后逼迫各国政府不得不采用他的方法,并和他合作以保证人类基因组序列不会被公司申请到专利。没有他,人类基因组估计现在还没测完,基因组学研究可能会推迟 10 年以上。

好了,2001 年人类基因组测序完成。这十几年来,当年叱咤风云基因组学领域的科学家兼商人 Venter 他退休了吗?没有,他之后一直在研究题主提的问题!他把研究对象换成了衣原体(Mycoplasma genitalium),因为衣原体是自然界能独立生活的基因组最小的生物。他们希望能够进一步缩小衣原体的基因组,从而得到一个能够在自然界独立生活的最小基因组(The MinimumGenome )。

首先他们尝试逐个敲除衣原体基因组的基因间区,和一些非关键基因。发现有时候衣原体还能活,有时候就死了。这种逐个敲除的方法效率很低。然后Venter 等人尝试了更为激进的方法:重头合成。他们打算这么做:每当在野生型衣原体里敲除以后导致衣原体死亡的基因或者基因间区片段都会被记录下来,然后把所有重要的基因或者别的什么必须的片段拼起来,让这个人工合成的 DNA 大分子来驱动一个衣原体,如果能活,那这就是一个最小基因组。

基因敲除什么的都是小 case,这个方法最难的有两个地方。1. 衣原体基因组少说也有 583kb,怎么合成?2. 更难的是就算你合成了一个 583kb 的超级长的 DNA,你怎么用它来驱动一个活生生的生物?

Venter 还真做到了。

这是 2008 年 2 月底 Science 的研究文章(Research Article),解决了第一个问题。

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18218864

题目为 Complete chemical synthesis, assembly, and cloning of a Mycoplasma genitalium genome(衣原体基因组的完全化学合成、组装与克隆)。听名字就很霸气吧。

具体方法并不难,很野蛮哦:PCR 产生 5~6kb 的片段,按照顺序利用同源重组的原理两两逐级连接起来,其中每一级合成的新片段都会先连接入载体,编号并储存起来,等到下一级合成的时候再从载体上切下来。为了证明这个基因组是完全从单碱基合成的,他们每隔一段距离就会加上一段特有的序列作为水印。

两年之后,2010 年 7 月初,同样是 Science 的研究文章,解决了第二个问题。

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20488990

题目为 Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome (为化学合成的基因组创造一个原核细胞)。 .

当然现代科学还没有先进到可以人工合成细胞。他们大概是这样做的:首先将完整的人工合成的并且带有抗菌素抗性的衣原体基因组转化入自然的衣原体里,得到一个二倍体。然后将二倍体放在含有抗菌素的培养基上培养,让其分裂。由于自然的衣原体不带抗性,最后能够生长的衣原体就带有了人工合成的基因组。就这样,鸠占鹊巢,人工合成的基因组继承了自然的细胞。

距离最小基因组还剩最后一步,那就是把筛选得到的生存必须的基因或者必须的未知功能的序列加到我们的列表里面,每次更新列表就试着合成一个不完整的基因组并让它去主宰(host)一个细胞。什么时候这样一个细胞活下来了,答案就得到了。这个过程我相信已经没有技术障碍了,只是工作量会很大,因为每次都要重复之前两步近十年的工作。

总之让我们拭目以待吧。