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科学怪咖Science革命性成果:构建最小的基因组

Craig Venter博士被誉为是21世纪最顶尖的科学家之一。除了一些科学上的重要头衔,他还是一位企业家,是J. Craig Venter研究所(JCVI)的创始人总裁兼CEO。在基因组学和合成生物学领域,Craig Venter一直是先行者。由于在人造人,以及对基因研究等方面的偏执热爱,其因此被戏称为“科学怪人(Bad boy of Science)”(Craig Venter访谈:编辑基因组,我们的智慧还不够,科学怪人直击衰老奥秘 寻找长寿基因  )。
现在,在最新一期的Science杂志上,Venter宣称设计并合成了一个最小的细菌基因组,它只含有维持生命所需的基因,组成它的基因只有473个。
2010年,Craig Venter在《科学》(Science)宣布了一项引起全球关注的革命性成果:构建出了第一个能自我复制的合成细菌细胞,这代表着世界上首个人造生命细胞的诞生,是人类科学历史上的一个突破性成果。该研究提供了概念证明:可以通过计算机设计,在实验室中采用化学方法制造出基因组,并将其植入到受体细胞中生成仅由合成基因组控制的、可自我复制的新细胞(Science公布革命性成果:首个合成基因组细胞 )。
自那以后,由Venter和Clyde Hutchison领导的研究小组,便开始着手实现他们自1995年以来一直追求的终极目标:合成以最简单的形式存在、只包含维持生命必需的基因的最小细胞。这项努力可以帮助科学家们了解细胞中每个必需基因的功能。
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为此,Venter、Hutchison和同事们再次利用了支原体(Mycoplasma)——在所有自我复制细胞中这种细菌包含着已知最小的基因组。2010年,研究人员合成出了蕈状支原体(Mycoplasma mycoides)的基因组。
在这里,基于现有的文献,研究人员设计出了分为8个不同的片段、假设最小的基因组,并对每个片段进行了测试,以精确地归类哪些组成基因是必需或非必需的。在这种设计-构建-测试过程中,研究人员还试图确定了准必需基因——即旺盛生长必需,但非生存绝对必需的基因。
在一系列的实验中,Venter、Hutchison和同事们将一些转座子(或外源基因序列)插入到了许多的基因中破坏它们的功能,以确定哪些基因是细菌全部功能所必需的。他们逐渐削减合成的减小的基因组,重复进行实验直至再没有基因可以被破坏,基因组已达到尽可能小的程度。至关重要地是,分析结果揭示一些最初被归类为“非必需”的基因,事实上作为第二基因执行了同样重要的功能;因此,在最小基因组中需要保留成对基因其中的一个。
最终的版本被称作为JCVI-syn3.0,包含有473个基因——这一基因组小于迄今为止自然界中存在的所有自我复制细胞的基因组。研究人员的最小基因缺乏所有的DNA修饰和限制基因,及大多数的脂蛋白编码基因。相比之下,保留了参与读取和表达基因组中遗传信息的几乎所有基因,及涉及保存跨代遗传信息的基因。

有趣地是,大约31%的JCVI-syn3.0基因尚有待发现精确的生物学功能。但其中一些基因的潜在同系物存在于其他生物体中,表明它们编码了功能有待确定的通用蛋白。这一JCVI-syn3.0平台为调查生命的核心功能提供了一个通用工具。

 

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