真核生物最原初的样子是怎么样的？科学家们正试图用合成生物学的手段返璞归真，构建出一个“最小基因组”的真核细胞。如今，中国科学家在这一前沿领域又向前迈进了一步。中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）周金秋研究团队历时六年，以中国科研团队于2018年构建的单条染色体酿酒酵母为模型，将一般不编码蛋白质并在转录过程中被剪接体“删除”的内含子，通过基因编辑技术实现了全部敲除，由此构建出全球首个不含任何剪接体内含子的真核生物。相关论文7月15日在国际学术期刊《细胞》发表。
发起冲击
“我清楚地记得，当覃重军将酵母基因测序结果告诉我时，我非常惊讶。这是一个非常有难度的工作。”周金秋口中的酵母是中国科学院分子植物科学卓越创新中心覃重军团队在2018年构建的单条染色体酿酒酵母。该成果不仅在《自然》发表，更获评当年中国科学十大进展，而周金秋自己的团队也参与了合作研究。在这项重大突破的基础上，科学家们的眼光投向了更深的远方。
“构建‘最小基因组’真核细胞是合成生物学的重大前沿挑战。”周金秋坦言，他的研究团队以单条染色体酿酒酵母为基础，向这一领域发起了冲击，“我们已经构建了基因组没有转座子的酵母细胞，但在尝试构建没有线粒体基因组的酵母细胞时没有成功”。6年前，他带领团队将目光看向了内含子。
如果把细胞中的遗传信息比作一本书，那么真核生物这本书里，夹杂着大量看似“多余”的段落。每当细胞读取信息时，必须把这些段落准确删除，才能拼出真正有用的“阅读内容”。这些被删除的片段叫做内含子，而负责删除工作的分子机器叫做剪接体。
长期以来，科学家一直困惑：内含子和剪接体究竟是不是真核细胞赖以生存的必需元件？如果把细胞内所有内含子都删除，细胞还能活吗？而这也是周金秋想要回答的科学问题。
背水一战
在单条染色体的酵母中，一共有300个内含子，如果一个一个将其敲除，按照必须的科研流程，需要12年时间。“如果我还是二三十岁刚刚开始科研，再加上如果有稳定的科研经费，我愿意慢慢做。”周金秋笑着说，“但现在要是做那么长时间，到退休恐怕也完不成。还有，一位博士生培养也就6-7年，不可能陪我做那么长时间。”
然而，对于手握“王牌”、看准方向的科学家来说，终是难以抑制那颗蠢蠢欲动的探究之心。既然传统的道路走不通，那就换条新路。周金秋带领团队不断摸索，最终抓住真核细胞减数分裂的特性，巧妙地设计了一套“分头施工、重组拼装”的策略——在不同交配型的单倍体细胞中分别删除不同内含子，再通过二倍体细胞中的染色体重组和减数分裂，将所有删除结果整合到同一个细胞中。很快，研究组初战告捷，验证了该技术路线可以大大缩短实验周期。
“我们是在2019年7月下定了背水一战的决心。”周金秋说，当时尽管看到了新技术路线的可行性，但对于究竟要做多久心里还是没有底。为此，他专门招收了两位课题助理满鑫和张文婷，后来看到内含子实现了大量敲除，课题有了结束的希望，两位年轻人也通过统一博士招生考试，录取为博士研究生。
曙光在2020年7月初现。当时，研究团队将必需基因中的59个内含子进行了删除。到了2024年2月，研究团队敲出了296个内含子。在周金秋看来，从0到296是一个“需要不断重复”又“无聊”的工作。但研究团队能静下心来，耐得住寂寞，坚持不懈，一步一个脚印推动研究持续向前。
然而，当研究团队自信满满地将研究论文投稿给杂志社，结果遭遇了一次不大不小的挫折。“审稿人指出，有两个与编码RNA相关的内含子没有敲除，并退回了论文。”周金秋解释说，事实上酵母内含子一直伴随着研究的深入而有所新增。面对挫折，研究团队没有退缩。他们快马加鞭，在2025年4月完成了对剩余4个内含子的敲除，完成了全部300个已知内含子的敲除工作。
一个不含任何剪接体内含子的酵母细胞首次与人类相会。而整个实验周期也从12年缩短到4年。
成就平台
这个不含内含子的酵母细胞可以用来帮助科学家们研究内含子及其进化过程。周金秋研究团队发现，失去所有内含子后，细胞的生长速度变慢，这主要是由于核糖体生物合成受到了影响。
更令人惊奇的是，在已经失去所有内含子的细胞中，进一步删除剪接体的多个核心组分，细胞仍然能正常存活。这表明：一旦所有内含子被彻底移除，剪接体便不再是细胞存活的必需机器。换言之，细胞演化出剪接体的主要功能是清除内含子。
这项研究以单细胞生物酵母为模型，回答了一个长期困扰生物学界的基础问题：内含子和剪接体并非真核细胞生命存活所必需。
“在合成生物学领域，有两大路径。一个是做加法，通过化学方法从0开始合成一段DNA，或是蛋白质。另一个是做减法，通过剥离一个一个染色体片段，来研究片段功能。”周金秋认为，此次研究不但为探索内含子提供了一个全新的实验平台，也为合成真核细胞最小基因组提供了重要信息。
原载于上海科技报2026-07-15
作者：耿挺
