编辑基因组：重写生命密码的新工具

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《科学日报》（２０１１年７月１5日报道）——　编辑基因的能力，象古腾堡的印刷机那样，创新性强、见效快且潜力无穷。不过，也象古腾堡的发明，虽然技术炫目，但创新伊始，仍难尽如人意：大多数的DNA编辑工具既慢且贵，而且难用。但哈佛大学的研究者目前正在开发基因组规模编辑工具，可以象字处理软件那样，通过应用“查找与替换”等遗传学等价物，快捷方便地重写活体细胞的基因组；而这些重写的综合结果就是：产生了与其父系迥然不同的新细胞株。

研究者撩开了基因组工程技术的面纱，此技术可以单一核苷到百万核苷规模彻底重建基因组。研究者表示，可将染色体视为可编辑、可演化的模板，并为此显示了通过功能强大的新工具来重写细胞基因组的方法。该技术可用于生物技术、能源与农业等领域。（图片来源：iStockphoto/Zmeel Photography)

哈佛医学院遗传学教授George Church（与麻省理工媒体实验室副教授Joe Jacobson合作主持了本研究）说：“这一成果，并非源于对业已存在的某物的拷贝，而必须实现功能上的彻底改观。”

Church指出，相关改变可达成三个目标：一是通过对有用的新氨基酸编码为细胞增加功能；二是防护功能的导入，避免转基因品种与野生品种的交叉污染；三是通过重写被病毒劫持的密码使之获得多病毒抗性。在细菌培养产业领域（包括制药与能源）方面，此类病毒对细菌培养的影响范围多达２０%。最著名的例子是健赞公司（美国生技商），其受病毒污染造成的损失估计为几亿美元到逾十亿美元左右。

在一篇计划发表于７月１５日的《Science》的论文中，研究者描述了在３２株大肠杆菌菌株中（用所设计的密码子）替代（天然）密码子（密码子是由三种碱基构成的DNA“单词”）、然后将这些局部编辑后的菌株沿演化路径诱导成该密码子的全部３１４个均被替代的单细胞株的具体过程。据Harris Wang（哈佛大学威斯生物工程研究所Church实验室研究员，与耶鲁大学分子、细胞与发育生物学助理教授<同时也是前哈佛大学研究员>Farren Isaacs同为本论文的第一作者）与Peter Carr,介绍，其中许多编辑手段比目前的方法至少提高了两个数量级。

在遗传密码中，大多数的密码子代表一个氨基酸（一种蛋白建筑模块）。但有少数密码子向细胞发送停止给蛋白链添加氨基酸的时间信号，哈佛研究者的研究靶标正是这些负责“终止”的密码子之一。因为该密码子只出现３１４次，而且该TAG终止密码子又是大肠杆菌基因组中最罕见的单词，所以该密码子成为替代的主要目标。研究小组利用的是一个称为多元自动基因组工程平台（或MAGE平台），用另外一种终止密码子——TAA终止密码子替代活体大肠杆菌中TAG密码子（研究小组于２００９年首次披露MAGE运作过程。因其具备在活体细胞中加速目标遗传变化而获得“进化机”称号）

Isaacs 解释说，MAGE过程是一个小规模的工程过程，TAA密码子替代一部分（不是全部）TAG密码子，从而产生（新的）细胞。由此研究小组构建了３２株菌株（总的来说包括了所有可能的TAA替代）。接下来是应用细胞的内在能力完成称为接合（conjugation）过程的基因交换，研究者诱导细胞以逐渐增大规模的方式传递包含TAA密码子的基因。这一新的方法称为接合装配基因组工程或CAGE，与复赛筛选法类似（从１６对中挑出８对，再从８对中挑出４对，再到２对与最后一对）；每一回合中，胜出者拥有更多的TAA密码子与更少的TAG密码子。所以Isaacs称此为“三月疯”（即“疯狂的”全美大学篮球繁忙冠军赛季　——　译者）。

Isaacs说：“我们正在测试已经走过几十年历程的有关遗传密码保护理论。同时，我们也正在显示我们能够在全基因组水平上产生这些变化。”

因为热衷于分享这一促成技术，虽然CAGE只进入半决赛阶段，该研究小组仍然发表了研究成果。其研究结果提示最后的四株菌株是健康的，甚至该小组将四组（每组含８０处基因工程改动）整合进DNA碱基对过百万的染色体片段时也是如此。Carr说“不少人在早些时候对我们深表怀疑：我们真的能够作出如此多的变化而又保持这些细胞的健康吗？事实胜于雄辩。”

研究者很有信心，他们终将创建一种TAG密码子被彻底清除的单一菌株。他们说下一步是删除细胞内读取TAG基因的装置，释放该密码子，使之为全新的目的服务（比如说编码全新的氨基酸）。

Wang说：“我们正在尝试让人们接受这一挑战性的思想　——　基因组实际上具有高度的可塑性与高度的可编辑性。”

本研究由美国能源部与国家科学基金会提供资金。

参考文献：

Farren J. Isaacs, Peter A. Carr, Harris H. Wang, Marc J. Lajoie, Bram Sterling, Laurens Kraal, Andrew C. Tolonen, Tara A. Gianoulis, Daniel B. Goodman, Nikos B. Reppas, Christopher J. Emig, Duhee Bang, Samuel J. Hwang, Michael C. Jewett, Joseph M. Jacobson, George M. Church. Precise Manipulation of Chromosomes in Vivo Enables Genome-Wide Codon Replacement. Science, 2011; 333 (6040): 348-353 DOI: 10.1126/science.1205822

原英文报道链接：

http://www.sciencedaily.com/releases/2011/07/110714142130.htm

论文地址：

http://www.sciencemag.org/content/333/6040/348