Science：基因组编辑上的重大突破

　　

生物通报道 哈佛医学院著名遗传学家George Church领导的研究小组在基因组编辑上获得重大突破，他们能够从根本上改造基因组，从几个核苷酸到几Mb。该研究成果发表在最近一期的《Science》杂志上。

基因组的自由编辑一直是生物学家的梦想，然而，大部分DNA编辑工具都很慢、昂贵且难用。为了解决这个问题，哈佛医学院等机构开发出快速且简单的基因组规模编辑工具，能够利用“查找和替换”改写活细胞的基因组。

TAG终止密码子是大肠杆菌基因组中最稀有的，只有314个，这也让它成为替换的首要目标。研究人员利用多重自动基因组改造（multiplex automated genome engineering，简称MAGE）这种方法，用同义的TAA密码子来位点特异性地替换32种大肠杆菌菌株中的TAG终止密码子。研究小组2009年曾在《Nature》杂志上介绍过这种方法（Nature 460，894-898）。这种方法让他们能够测定单个的重组频率，证实每次修饰的可行性，并鉴定出相关的表型。

MAGE这种小规模的改造方法替换了部分但不是全部的TAG密码子。之后，利用细菌天然的接合能力，研究人员诱导细胞以更大规模转移包含TAA密码子的基因。这种新方法称为接合组装基因组改造（conjugative assembly genome engineering，简称CAGE）。整个过程有点类似NBA的季后赛，从16对到8对，再到4对、2对和1对，每一轮的获胜者拥有更多的TAA密码子和更少的TAG。

因急于分享他们的技术，研究小组在CAGE到达“半决赛”时就发表了他们的结果。结果显示最终的4个菌株很健康。研究人员确信他们能够创建出一个TAG密码子被全部去除的菌株。

这项成果也可谓是合成生物学上的一大进步，让人想起了一年前的合成基因组细胞。J. Craig Venter和George Church这两位顶尖科学家都将合成生物学带到了基因组水平，但他们的方法却截然不同。去年，Venter博士所在公司花费50万美元，合成了蕈状支原体，而Church博士则注重现有基因组的改造，从而避免了高额的测序费用。

Church博士在文中表示，与Venter博士的方法不同，“我们的基因组改造技术将染色体看作可编辑、可进化的模板”。而Venter博士没有对Church的这项新成果发表溢美之词，只认为是“本领域的一个积极增加”。（生物通 薄荷）

原文摘要：

Precise Manipulation of Chromosomes in Vivo Enables Genome-Wide Codon Replacement

Science 15 July 2011:
Vol. 333 no. 6040 pp. 348-353
DOI: 10.1126/science.1205822

摘要

We present genome engineering technologies that are capable of fundamentally reengineering genomes from the nucleotide to the megabase scale. We used multiplex automated genome engineering (MAGE) to site-specifically replace all 314 TAG stop codons with synonymous TAA codons in parallel across 32 Escherichia coli strains. This approach allowed us to measure individual recombination frequencies, confirm viability for each modification, and identify associated phenotypes. We developed hierarchical conjugative assembly genome engineering (CAGE) to merge these sets of codon modifications into genomes with 80 precise changes, which demonstrate that these synonymous codon substitutions can be combined into higher-order strains without synthetic lethal effects. Our methods treat the chromosome as both an editable and an evolvable template, permitting the exploration of vast genetic landscapes.