改写历史：科学家公布首个具同形孢子蕨类植物的全长基因组

改写历史：科学家公布首个具同形孢子蕨类植物的全长基因组蕨类植物因拥有大量的染色体和大量的DNA而闻名。目前，一种不比餐盘大的蕨类植物保持着最高的染色体数量记录，它的每个细胞核中都有720对染色体。科学家们一直对蕨类植物囤积DNA的倾向感到困惑，而它们的基因组难以处理的大小也使得对它们进行测序、组装和解释成为挑战。现在，最近发表在《自然-植物》杂志上的两篇文章改写了历史，首次公布了具同形孢子蕨类植物的全长基因组，这是一个巨大的群体，包含了所有现代蕨类植物多样性的99%。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1323653.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1323653.htm

哈佛大学科学家发现乳腺癌成因中缺失已久的一环

哈佛大学科学家发现乳腺癌成因中缺失已久的一环研究人员说，多达三分之一的乳腺癌病例可能是通过新发现的机制发生的。研究还表明，性激素雌激素是导致这种分子功能障碍的罪魁祸首，因为它直接改变了细胞的DNA。大多数乳腺癌都是由激素波动引起的。关于雌激素在乳腺癌中的作用，普遍的看法是它是癌症生长的催化剂，因为它刺激了乳腺组织的分裂和增殖，而这一过程具有致癌突变的风险。然而，新的研究成果表明，雌激素以一种更为直接的方式造成危害。这项研究的第一作者JakeLee说："我们的工作表明，雌激素能直接诱导导致癌症的基因组重排，因此它在乳腺癌发展中的作用既是催化剂又是诱因。"虽然这项工作对治疗没有直接影响，但它可以为设计跟踪治疗反应的测试提供信息，并能帮助医生检测有某些乳腺癌病史的患者的肿瘤复发。癌细胞的诞生人体由数以亿计的细胞组成。这些细胞中的大多数都在不断地分裂和复制，这一过程日复一日，终生维持着器官的功能。每次分裂，细胞都会将其染色体--一束束紧密压缩的DNA复制到一个新细胞中。但这一过程有时会出现意外，DNA会断裂。在大多数情况下，这些DNA断裂会被保护基因组完整性的分子机器迅速修复。然而，有时DNA断裂的修复工作会出现失误，导致染色体在细胞内错位或混乱。许多人类癌症就是以这种方式在细胞分裂过程中产生的，当染色体重新排列并唤醒休眠的癌基因时，就会引发肿瘤生长。当染色体发生断裂，而断裂的染色体在断裂处被修复之前又产生了第二个拷贝时，就会发生这样的染色体乱码。然后，在一次失败的修复尝试中，一条染色体的断裂端与其姐妹拷贝的断裂端融合，而不是与其原始伙伴融合。由此产生的新结构是一个畸形的、功能失常的染色体。在下一次细胞分裂过程中，畸形染色体被拉伸到两个新出现的子细胞之间，染色体"桥"断裂，留下含有癌基因的破碎片段，这些片段不断繁殖并被激活。某些人类癌症，包括某些乳腺癌，就是在细胞染色体以这种方式重新排列时产生的。芭芭拉-麦克林托克（BarbaraMcClintock）在20世纪30年代首次描述了这种功能障碍，她随后于1983年获得了诺贝尔生理学或医学奖。癌症专家通常可以通过基因组测序在肿瘤样本中发现这种特殊的畸变。然而，一部分乳腺癌病例并不存在这种突变模式，这就提出了一个问题：是什么导致了这些肿瘤？这些"冷门"病例引起了研究作者Park和Lee的兴趣。为了寻找答案，他们分析了780例乳腺癌患者的基因组。他们期望在大多数肿瘤样本中发现经典的染色体混乱，但许多肿瘤细胞却没有这种经典分子模式的痕迹。他们看到的不是典型的畸形和不适当修补的单条染色体，而是两条染色体融合了，令人怀疑的是，这两条染色体就在癌基因所在的"热点"附近。就像在麦克林托克的模型中一样，这些重新排列的染色体形成了桥，只不过在这种情况下，桥上有两条不同的染色体。在他们的分析中，三分之一（244例）的肿瘤存在这种独特的模式。Lee和Park意识到他们发现了一种新的机制，即"毁容"染色体的产生和断裂助长了神秘的乳腺癌病例。雌激素在乳腺癌中的新作用？当研究人员放大癌基因激活的热点时，他们注意到这些区域与DNA上的雌激素结合区非常接近。众所周知，当细胞受到雌激素刺激时，雌激素受体会与基因组的某些区域结合。研究人员发现，这些雌激素结合点经常位于发生早期DNA断裂的区域附近。这提供了一个强有力的线索，即雌激素可能以某种方式参与了导致癌基因激活的基因组重组。Lee和Park根据这一线索在培养皿中对乳腺癌细胞进行了实验。他们让细胞接触雌激素，然后使用CRISPR基因编辑技术切割细胞的DNA。当细胞修补断裂的DNA时，它们启动了一个修复链，导致了Lee和Park在基因组分析中发现的同样的基因组重排。众所周知，雌激素会促进乳腺细胞的增殖，从而助长乳腺癌的生长。然而，新的观察结果使人们对这种激素有了不同的认识。这表明，雌激素是癌症发生的一个更核心的角色，因为它直接改变了细胞修复其DNA的方式。研究结果表明，他莫昔芬等抑制雌激素的药物--通常用于乳腺癌患者以防止疾病复发--的作用方式比单纯减少乳腺细胞增殖更为直接。Lee说："根据我们的研究结果，我们认为这些药物除了抑制乳腺细胞增殖外，还可能阻止雌激素在细胞中引发致癌基因组重排。这项研究可改进乳腺癌检测。例如，检测染色体重排的基因组指纹可以提醒肿瘤学家病人的疾病正在复发。"类似的跟踪疾病复发和治疗反应的方法已被广泛用于携带关键染色体易位的癌症，包括某些类型的白血病。研究人员说，从更广泛的意义上讲，这项工作强调了DNA测序和仔细的数据分析在深化癌症发展生物学方面的价值。"这一切都源于一次观察。我们注意到，我们在基因组测序数据中看到的复杂突变模式无法用教科书上的模型来解释，"Park说。"但是现在我们已经把拼图拼好了，根据新的模型，所有的模式都是合理的。这令人无比欣喜"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1370689.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1370689.htm

他耗资4000万美元造出新细菌 又想创造新生命

他耗资4000万美元造出新细菌又想创造新生命只有当我们能够去创造生命的时候，才可能真正理解生命的本质，这也是生命科学领域研究一直想要做到的事。那么，我们该如何去创造生命？生命科学领域中的一个基本规则是“中心法则”，即遗传信息可以从DNA复制自身，同时也可以传递给RNA，并由RNA传递给蛋白质，完成遗传信息的转录和翻译过程，这个过程就是创造生命的过程。因此从理论上说，只要我们能够创造出DNA，就有可能实现人工创造生命，进而深入理解生命的本质。人类的“人造生命”发展史人造生命是指从其他生命体中提取基因，建立新的人工染色体，随后将其转入已被剔除了遗传物质的细胞中，最终由这些人工染色体控制这个细胞，发育变成新的生命体。人造生命的发展历程虽然较短，却充满着创新和突破。1953年，沃森和克里克提出了著名的DNA双螺旋结构模型，从此开启了分子生物学时代。到了20世纪70年代，赫伯特·博耶和斯坦利·科恩分别实现了限制性内切酶对双链DNA的剪切，以及质粒DNA到大肠杆菌的转入，这两项创新成果标志着基因工程的诞生。随后，桑格发明的DNA测序技术实现了DNA序列的精确“阅读”。接着，保罗·伯格和沃尔特·吉尔伯特通过开发分子克隆技术，进一步促进了重组DNA技术的发展。这些突破性的技术都为人造生命的研究奠定了重要基础。其中，2010年5月由美国生物学家克雷格·文特尔团队取得的成就标志着人造生命领域的一次重大突破。他们在实验室中通过化学合成了一整个基因组，随后将这个合成基因组植入到一个空细胞中。这个细胞随后根据植入的基因指令开始自我复制和增殖，最终形成新的细胞。尽管有些科学家持有保留意见，认为文特尔的成果只是以一个自然的、先前存在的残留细胞为基础的，并没有创造出真正的生命，但他的实验仍然证明了人造基因组可以为细胞提供动力，这为未来真正的人造生命提供了重要的启示。人造生命的科学狂人：克雷格·文特提到人造生命，就不得不提这一领域的泰斗、科学狂人——克雷格·文特。他是美国著名的生物学家和企业家，以在科学界的重大成就而闻名。他的成就包括“一人单挑六国科学家，完成人类基因组计划”和“制造新生物”，这两项工作都是震撼全世界科学界的突破。“科学狂人”克雷格·文特（图片来源：克雷格·文特研究所官网主页）20世纪90年代，由美国、英国、法国、德国、日本和中国等6个国家的顶级科学家共同参与人类基因组计划，预计花费30亿美元来完成人类基因组测序。然而，当时间和花费过半时，他们却仅完成了3%的测序工作。与此同时，克雷格·文特成立了塞莱拉基因公司，一个私营性质的基因研究机构，开发了如“霰弹枪”的新型测序技术，并迅速追上了多国合作小组的进度。后来，克雷格·文特与六国科学家合作，于2001年初成功完成了人类基因组草图。在人类基因组计划完成后，克雷格·文特很快就有了新的理想，这个理想可能是生命科学的终极目标：创造新的生命形式。克雷格·文特计划利用DNA小片段，合成新的基因组，并将其转入已经被剔除了本身基因组的细菌之中，观察这微小的细菌能否进行新陈代谢和繁殖。经过研究团队十几年不懈的努力，耗资超过4000万美元，克雷格·文特研究团队终于在2010年创造出全新的细菌。克雷格·文特认为，“这是地球上第一个，父母是电脑却可以进行自我复制的物种。”目前，克雷格·文特又展开了一系列新的研究，他把自己的游艇改装成研究船，带领团队成员远征百慕大群岛附近的马尾藻海，希望就地取材，绘制出该海域生态系统中所有微生物的基因组图谱。克雷格·文特的终极目标是利用海洋中寻找到的基因，设计出全新的生命形式。这些生命将具备捕获二氧化碳、遏制温室效应的能力，还能清理核废料，并产生大量氢原子。这项全新生命形式的发展将有望改变全球能源经济的现状。克雷格·文特的研究旅程从人类基因组测序，到人工合成细菌，再到从海洋中寻找有益基因以设计全新生命，始终贯穿一个主线：从基因到生命。无论是认识基因、合成基因，或是寻找新基因，克雷格·文特所有研究都是为创造生命绘制蓝图，最终实现人造生命的使命，回答了“科学真的可以创造生命”这一重要命题。酵母人工染色体合成的突破之路细菌和酵母分别是原核和真核生物的典型代表，能够合成这两者的基因组，就能为合成生命奠定重要的理论基础，丰富人造生命的知识储备。作为原核生物的细菌，科学家合成其基因组并创造全新的生命尚且花费了十几年的时间。那么作为真核生物的酵母，其基因组有16条染色体，合成的复杂性和难度可想而知。为此，国际上发起了酵母基因组合成计划（Sc2.0），这是人类首次尝试对真核生物的基因组进行从头设计合成，旨在重新设计并合成酿酒酵母全部16条染色体。该项目于2011年启动，由来自中国、美国、英国、新加坡、澳大利亚等国的超过200位科学家共同参与。研究人员在从头合成酵母基因组序列的过程中面临了诸多挑战。由于酵母基因组中存在大量重复序列，他们去除了转座子和重复元件，并重新编码终止密码子。同时，研究人员对基因序列进行了碱基删除、插入和替换的工作，确保合成菌株与天然菌株的表型相同的同时，也保证了基因组的稳定性。2017年《Science》封面展示的酵母基因组结构模型，其中金色代表已经完成全合成的染色体；白色代表天然染色体（图片来源：《Science》官网）根据以上原则和标准，2014年，纽约大学的JefBoeke教授领衔的研究团队成功创建出了第一条人工酵母染色体——最小的3号染色体。这一成果开启了真核生物基因组合成的先河。到2017年，Sc2.0团队完成了人工合成酵母基因组16条染色体中的5条，其中4条由中国科学家完成。具体来说，天津大学元英进院士团队负责了5号和10号染色体的合成；清华大学戴俊彪研究员团队负责12号染色体的设计合成；华大基因杨焕明院士团队负责酵母2号染色体的从头设计与全合成。到了2023年，Sc2.0计划迎来新的里程碑式突破，华大基因沈玥研究员团队完成酵母7号和13号染色体的从头设计与全合成，以及tRNA新染色体的构建。这标志着酵母的全部16条染色体的合成工作已圆满完成。此外，该团队还成功构建了一种包含50%合成DNA的酵母菌株，这种酵母菌株不仅能够活跃增殖，还展现了正常的细胞形态、长度和形状。2023年《Cell》发表文章描述了酵母染色体的整合过程：将含有不同合成染色体的酵母细胞进行杂交，在后代中寻找携带两条合成染色体的个体，经过漫长的杂交过程，科学家们逐渐将他们先前合成的所有染色体（6条完整染色体和1条染色体臂）整合到同一个细胞中（图片来源：参考文献[5]）参与酵母基因组合成计划的中国科学家代表，从左到右依次为：李炳志、戴俊彪、杨焕明、元英进、沈玥（图片来源：人民日报）人造细胞再升级：逼近真实活细胞人工合成细菌和酵母主要解决基因组合成的问题，然而活细胞执行功能主要还是依靠蛋白质。2024年4月23日，美国科学家在《自然·化学》（NatureChemistry）杂志上发表了一项最新研究成果，他们通过操纵DNA和蛋白质，创造出类似人体细胞的人造细胞，这一成果对再生医学、药物输送和诊断工具等领域具有重要意义。细胞支架是细胞内部的重要支架结...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435038.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435038.htm

科学家创造出带有人类肌肉基因的酵母

科学家创造出带有人类肌肉基因的酵母生物技术专家PascaleDaran-Lapujade及其代尔夫特理工大学的团队成功地将人类肌肉基因插入到面包酵母的DNA中。这是科学家们首次有效地将人类的一个关键特征插入到酵母细胞中。他们的研究已于最近发表在《CellReports》上。Daran-Lapujade的实验室向酵母细胞引入了一种特性，这种特性由人类无法离开的10个基因集合所调控；它们携带着一种被称为代谢途径的过程的蓝图，这种代谢途径分解糖来收集能量并在肌肉细胞内产生细胞构建块。由于这一机制涉及许多疾病--包括癌症，所以修改后的酵母可以用于医学研究。Daran-Lapujade说道：“现在我们了解了整个过程，医学家们可以将这种人性化的酵母模型作为药物筛选和癌症研究的工具。”人类和酵母是相似的根据Daran-Lapujade的说法，酵母和人类之间有很多相似之处。“这似乎很奇怪，因为酵母是以单细胞形式生存的，而人类由一个复杂得多的系统组成，但细胞的运作方式非常相似。”因此，科学家们经常将人类基因转移到酵母中。因为酵母除去了人体中可能存在的所有其他相互作用，它创造了一个干净的环境，研究人员可以在其中分析一个单一的过程。Daran-Lapujade指出：“跟人体细胞或组织相比，酵母是一种神奇的生物体，因为它的生长简单且它的遗传易得性：它的DNA可以很容易地被修改以解决基本问题。许多关键性的发现如细胞分裂周期都是由于酵母而被阐明的。”人性化的酵母Daran-groupLapujade's之前成功地设计了人工染色体，其被作为一个DNA平台运作以在酵母中构建新功能。他们想测试一下，加入几个人类基因和完整的代谢途径，他们能走多远，细胞是否还能作为一个整体运作。“如果我们把控制人类肌肉的糖分消耗和能量生产的同一组基因加入到酵母中会怎么样？”Daran-Lapujade提问道，“我们能在酵母中把这样一个重要而复杂的功能人性化吗？”对于博士生和共同第一作者FrancineBoonekamp和EwoutKnibbe来说，工程化的酵母出奇地简单。“我们不只是将人类基因移植到酵母中，我们还删除了相应的酵母基因并用人类肌肉基因完全取代它们。你可能认为你不可能将酵母的版本跟人类的版本进行交换，因为在人类和酵母细胞中，这是一个如此特殊和严格调节的过程。但它像一个魅力一样发挥作用！”Daran-Lapujade解说道。进一步的人性化通过跟BarbaraBakker教授的实验室（格罗宁根大学医学中心）的合作，研究人员利用了实验室培养的人类组织细胞以比较了人类基因在酵母中的表达和在原生人类肌肉环境中的表达。在酵母中产生的人类酶和在其原生人类细胞中产生的人类酶的特性非常相似，这支持了新的人源化酵母作为人类细胞模型的价值。这一个过程只是人类新陈代谢的一小部分。酵母和人类细胞之间还有许多类似的过程，可以在人源化酵母中进行研究。虽然Daran-Lapujade专注于工程酵母的基础和技术方面，因此不打算自己研究人源化酵母的应用，但她希望跟其他有兴趣使用该工具的科学家进行合作。“这只是一个起点，我们可以...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1301605.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1301605.htm

科学家利用CRISPR基因编辑消除了癌细胞中多余的染色体

科学家利用CRISPR基因编辑消除了癌细胞中多余的染色体具有额外染色体的细胞与癌症的发展有关，但一项新的研究发现这也可能是它们的弱点该研究的高级作者JasonSheltzer说："长期以来，我们可以观察到非整倍体，但不能操纵它。我们只是没有合适的工具。但在这项研究中，我们利用基因工程技术CRISPR开发了一种新的方法来消除癌细胞中的整个染色体，这是一个重要的技术进步。能够以这种方式操纵非整倍体染色体，将使我们更深入地了解它们的功能。"首先，该团队专注于一种非整倍体，即细胞在1号染色体上获得一个被称为"q臂"的结构的第三个拷贝。这种错误从早期阶段就在多种癌症类型中发现，并与疾病的发展有关。研究人员开发了一种工具，他们称之为使用CRISPR靶向技术恢复非整倍体细胞中的二分裂（ReDACT），当他们用它来消除这些额外的染色体时，他们发现这些细胞失去了形成恶性肿瘤的能力。经过仔细检查，他们发现了一种机制，即非整倍体可能会促进癌症的发展--刺激癌症生长的特定基因被编码在三条染色体上，而不是通常的两条。接下来，研究小组测试了这种机制是否可以作为癌症的治疗目标加以利用。一个被称为UCK2的基因先前已被发现对某些药物敏感，这里的研究人员发现，这使得具有1号染色体额外拷贝的细胞（因此是UCK2的第三个拷贝）对这些药物更加敏感。研究小组将正常细胞和非整倍体细胞混合成批，后者占细胞的20%。他们发现，在没有干预的情况下，非整倍体细胞将在9天后增长到占批次的75%。但当用针对UCK2的药物治疗时，非整倍体细胞在9天后下降到仅占该批细胞的4%。Sheltzer说："这告诉我们，非整倍体可以作为癌症的一个治疗目标。几乎所有的癌症都是非整倍体，所以如果你有某种方法选择性地针对那些非整倍体细胞，理论上这可能是一种针对癌症的好方法，同时对正常的、非癌症的组织影响最小。"当然，这项研究仍然处于非常早期的阶段，到目前为止只在培养的细胞中进行了测试。但这是一个耐人寻味的想法，最终可能开启新的癌症治疗方法，而且该团队现在正在努力转向动物测试。这项研究发表在《科学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1370003.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1370003.htm

科学家开发出形成人类人工染色体的新技术

科学家开发出形成人类人工染色体的新技术能在人体细胞内发挥作用的人造人类染色体有可能彻底改变基因疗法包括某些癌症的治疗方法，并有许多实验室用途。然而，巨大的技术挑战阻碍了它们的发展。现在，宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院研究人员领导的团队在这一领域取得了重大突破，有效地绕开了一个常见的绊脚石。在最近发表在《科学》（Science）杂志上的一项研究中，研究人员解释了他们是如何设计出一种高效技术，利用单个长的设计DNA构建体来制造HACs的。以前制造HACs的方法一直受到以下事实的限制：用于制造HACs的DNA构建体往往会以不可预测的长序列和不可预测的重排方式连接在一起--"多聚化"。新方法可以更快、更精确地制作HAC，从而直接加快DNA研究的速度。假以时日，再加上有效的传输系统，这项技术就能为癌症等疾病带来更好的工程细胞疗法。全面改造HAC设计宾夕法尼亚大学生物化学与生物物理学埃尔德里奇-里夫斯-约翰逊基金会教授本-布莱克（BenBlack）博士说："从根本上说，我们彻底改变了HAC设计和输送的旧方法。我们制造的HAC对于生物技术应用的最终部署非常有吸引力，例如，需要对细胞进行大规模基因工程的应用。另外一个好处是，它们与天然染色体同时存在，而无需改变细胞中的天然染色体。"首批人工染色体组是25年前开发的，人工染色体组技术在细菌和酵母等低等生物较小、较简单的染色体方面已经非常先进。而人类染色体则是另一回事，这主要是因为人类染色体的体积更大，中心粒（即X型染色体臂连接的中心区域）更复杂。研究人员已经能够用添加到细胞中的自连接DNA长度来形成小型的人造人类染色体，但这些DNA长度的多聚体具有不可预测的组织和拷贝数--这使它们的治疗或科学用途变得复杂，而且由此产生的HAC有时甚至最终结合了宿主细胞中的天然染色体位点，使对它们的编辑变得不可靠。在他们的研究中，宾夕法尼亚大学医学院的研究人员通过多种创新设计出了改进的HAC：其中包括含有更大、更复杂中心粒的更大初始DNA构建体，这使得HACs能够从这些构建体的单个拷贝中形成。在向细胞递送时，他们使用了一种基于酵母细胞的递送系统，该系统能够携带更大的载荷。布莱克说："例如，我们没有试图抑制多聚化，而是绕过了这个问题，增加了输入DNA构建的大小，使其自然倾向于保持可预测的单拷贝形式。"研究人员的研究表明，与标准方法相比，他们的方法能更有效地形成有活力的HAC，并能产生在细胞分裂过程中能自我繁殖的HAC。优势和未来应用人工染色体的潜在优势有很多--假定它们可以很容易地输送到细胞中，并像天然染色体一样运作。与基于病毒的基因递送系统相比，人工染色体将为表达治疗基因提供更安全、更高效、更持久的平台，而基于病毒的基因递送系统可能会引发免疫反应，并涉及有害的病毒插入天然染色体。细胞中正常的基因表达还需要许多局部和远距离的调控因子，而这些因子几乎不可能在类似染色体的环境之外进行人工复制。此外，人工染色体与相对狭窄的病毒载体不同，它允许表达大型、合作性的基因组合，例如构建复杂的蛋白质机器。布莱克预计，他的研究小组在这项研究中采用的同样广泛的方法将有助于为其他高等生物制造人工染色体，包括用于农业应用的植物，如抗虫、高产作物等。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424784.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424784.htm