没有内含子真核生物能活吗？他们给出初步答案
没有内含子真核生物能活吗？他们给出初步答案
2019年7月，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（以下简称分子细胞卓越中心）研究员周金秋已经53岁了。他决定做一件按常规估算至少需要12年的事——删除酿酒酵母基因组中的全部300个剪接体内含子，看看细胞还能不能活。
学生能否承受如此漫长的实验周期？自己退休前能否看到答案？考虑了一圈可能后果后，周金秋还是决定“背水一战”，把课题交给了暂时没有毕业压力的研究助理满鑫和张文婷。
6年后，世界首个不含任何剪接体内含子的真核生物在周金秋实验室“诞生”。团队着手开始写论文，后又经过一年多投稿、补实验、改稿，在7月15日发表于《细胞》。
审稿人评价：“利用单染色体酵母菌株实现了全部300个剪接体内含子的删除，是一项技术上意义深远的突破，解决了多个实验室长期未能完成的目标；所获得的菌株资源对未来研究具有重要价值，为此前无法开展的实验提供了全新平台。”
周金秋（二排左二）团队合影。
分子细胞卓越中心供图，下同
生存还是生活
制作短视频时，人们往往需要借助剪辑软件删去不需要的片段，再把需要保留的画面拼接起来。
类似的过程也发生在真核细胞中。从一段基因序列到生成具备功能的蛋白质，中间有一个关键步骤——在“剪辑大师”剪接体的作用下，内含子被删除，保留下来的外显子则按照顺序拼接起来。
就像剪辑视频时人们常会想，拍视频的时候如果能直接录下“金句”或者精彩画面，既能节约存储空间，也能就能大幅提高后期加工效率。内含子能否按同样的思路处理？况且，许多原核生物基因组中原本就没有内含子。
周金秋团队的此次研究成果便证明了，追溯到进化的起点，内含子并非真核生物存活的必要条件。不过，没有内含子的细胞活得没原来好。
他们主要关注的是剪接体内含子。这是真核生物中最常见的一类内含子，主要存在于编码基因中，需要由剪接体识别并切除。酿酒酵母中，此类内含子共有300个。
团队研究发现，在酿酒酵母中，随着剪接体内含子数量逐渐减少，对应菌株的生长速度逐步下降。300个内含子全部敲除后，菌株的倍增时间由109分钟延长至217分钟。尽管如此，菌株在连续传代200代以上后仍能保持遗传稳定，也保留了呼吸生长能力。此外，携带无剪接体内含子和正常染色体杂合的二倍体菌株，细胞的生长状态基本恢复，表明内含子缺失带来的影响具有隐性遗传特征。
根源在于核糖体生物合成受到了影响。核糖体参与mRNA翻译成蛋白的过程，而内含子丢失特异性影响了核糖体蛋白基因表达，使得整体蛋白质合成速率下降，最终影响细胞生长。
某种程度上来说，剪接体内含子扮演的角色，是让酵母细胞从维持基本生存到生活得更好。周金秋推测，在真核生物进化过程中，出于某些原因，内含子被保留了下来，并逐渐参与到细胞的生长调控中。
这一结果也支持“基因组精简悖论”，即内含子给细胞带来了负担，但删除它们又可能破坏在真核生物长期进化中被不断打磨的调控网络。
但团队并未就此止步。在剪接体内含子全部敲除的酵母菌株中，细胞仍然会表达相关剪接体。团队进一步删除剪接体的多个核心组分后，细胞依然能够正常存活。他们判断，细胞保留一部分稳定但闲置的剪接体，或许是一种成本较低的策略，有助于维持对环境和遗传变化的适应能力。
经过多轮测序和实验验证，周金秋团队终于放下心来。从学术价值来看，这项研究为探索内含子的起源与演化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。
但说起这项工作短期内能发挥什么作用时，周金秋坦陈：“我们很难给出答案，因为研究起点是为了满足我们的好奇心，解答科学问题。”
基因组没有内含子的酵母细胞不再需要剪接体活性。
把时间缩短到4年
回顾这段耗时六年多、几经起伏的工作，周金秋用“苦干加巧干”进行了形容。
故事的起点要回到2018年。中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员覃重军团队与周金秋团队合作，将酿酒酵母的16条染色体拼接在一起，形成只有一条线型染色体酿酒酵母菌株SY14。
论文在2018年8月发表于《自然》后，在国内外引发极大关注度。这项工作后入选当年中国科学十大进展，以及中国科学院改革开放四十年40项标志性成果。
但覃重军联系周金秋合作时，他却脱口而出“这不可能吧，技术上能实现吗？细胞能活吗？”直到测序结果摆在眼前，他才相信。
“这么难的事情他们都能做到，世界上还有什么不可能？”这项工作不仅给了周金秋很大鼓舞，也提供了关键实验条件。
团队设计了一套“分头施工、重组拼装”的策略。具体而言，酿酒酵母有a型和α型两种交配型。团队在不同交配型的单倍体细胞中分别删除不同区段的剪接体内含子，随后让两种细胞交配形成二倍体，在指定位置诱导染色体交换，把删除内含子的序列整合到同一条染色体上。最后，通过减数分裂，团队再筛选携带目标染色体的单倍体孢子。
但在自然条件下，由于DNA核酸内切酶Spo11的存在，染色体会发生随机交换，而非定点交换。但倘若把 SPO11 敲除，孢子的存活率则接近0%。
“酿酒酵母菌株SY14的二倍体细胞中只有两条染色体，可以避开不同染色体之间连错的情况。”满鑫回忆，团队删除 SPO11 基因后，菌株仍能完成减数分裂。在检测的44个四分体中，有23个产生了4个均能存活的孢子。
接下来，团队又精心设计了“内含子清除路线图”。
他们先用57个含有内含子的必需基因“试水”——倘若这些内含子均敲除后细胞无法存活，那就可以及时停止这个课题。他们按照染色体位置将这些基因分为3个区段，同步开始时删除内含子。
2022年7月，经过两轮“配对”和一次“精修”后，59个内含子被全部删除。细胞虽然生长有所减慢，但仍然能够存活和繁殖。
初见曙光！周金秋放下心来，学生毕业没问题了。也是在这个阶段，满鑫和张文婷先后成功“上岸”，继续读博。同时，他们按照同样的方法，将剩余231个非必需基因中的241个内含子划分为10个染色体区段，开始了新一轮“删删删”。
到2024年2月，经过9轮定点染色体交换和9轮减数分裂，团队删除了296个内含子，并证实了细胞仍能存活。
但在投稿过程中，他们却四处碰壁。好不容易碰到一位“懂行”的审稿人，提供了一个重要的建议“有两个编码RNA的基因序列中内含子没有删除”——同时给出了拒稿的建议。
团队检查后，迅速补上了最后的缺口。但考虑投哪个期刊时，周金秋又犯了难。
2024年11月，周金秋团队搬到了坐落于“大零号湾”的分子细胞卓越中心新基地。和他们一起搬过来的，还有分子细胞卓越中心研究员陈玲玲团队。在一次聊天中，周金秋说起了这项工作，陈玲玲建议他投《细胞》试试，因为一位期刊编辑曾是研究酵母减数分裂的科学家，可能会理解这项工作的意义。
最终，论文被顺利接收。值得一提的是，有了团队建立的这套体系，未来再去复现敲除300个内含子的过程，所需时间将从原本超过12年的时间变成不到4年。
“对于内含子数量更多、结构也更复杂的多细胞真核生物，这些发现能在多大程度上推广，仍是一个开放且值得深入研究的问题。”周金秋补充道。
要放弃时再试一次
诚然，“巧干”压缩了时间，但“苦干”并没有减少。
“这其实是一个比较‘无聊’的工作。满鑫和张文婷能够静下心来把这件事完成，很不容易。”周金秋说道，“刚开始课题时，我准备了很多话激励她们。但诸如天将降大任于斯人也这些听来带着豪情的词，其实都很苍白，如果课题不顺利，轻则延毕一两年，重则几年白做，这将是很大的打击。”
学生的反馈在一定程度上打消了他的顾虑。“这个工作很吸引我，我觉得它一方面很有挑战性，另一方面也很有意思。”“局中人”满鑫回忆起接下这个课题的初心。
2019年夏天硕士毕业后在周金秋团队做助理研究员、2021年读博，一直到2026年年初博士毕业，满鑫几乎把所有时间和精力都放在了这个课题上，一心想着尽快把这件事做成。
在很多时间里，她都做着近乎重复的事情——利用基因编辑技术把特定内含子删除，然后进行细胞培养、细胞增殖分裂再筛选，再反复。