本文来自微信公众号：iSynBio造物 （ID：gh_1c7f920d8f21），作者：捉蝴蝶的猫，题图来自：《工作细胞BLACK》
通过每次敲除三个基因，科学家们煞费苦心地推断出了保持细胞存活的遗传相互作用网络。很久之前，研究人员们就确定了酵母细胞所必需的基本基因。然而，近日在《科学》杂志发表的新研究则表明，许多之前认为无关紧要的基因，会随着其它基因的消失而变得至关重要。这一结论也表明，对于酵母，以及其它更复杂的生物来说，生存和正常生长所需的最小基因数量可能远超我们想象。
大约20年前，两名来自多伦多大学的酵母生物学家Charles Boone和Brenda Andrews就决定做一些略显疯狂的研究。他们打算系统地、逐个地破坏或损害酵母中的基因，一次来了解不同基因在功能上的联系。酵母基因组的6000个基因中只有大约1000个（大约17%）被认为是其生存所必需的，之所以说必需，是因为这些基因中只要缺失一个，酵母细胞就会死亡。
另两人出乎意外的是，有些基因如果单独缺失并不会引起明显的反应，但如果同时被摧毁，则可能引起酵母死亡或异常。因而他们推断，这些基因可能在细胞中行使着相同的功能，或者参与同样的过程，如果同时丢失两者，则酵母细胞无法再通过补偿来实现相应功能。
Boone和Andrews意识到，他们可以利用这样的手段来弄清楚酵母中各个基因的真正功能。两人和他们的合作者首先构建了超过2000万株酵母菌株，每个菌株都缺失两个独特的基因（这几乎包含了全部6000个基因的敲除组合）。
然后通过对每种双突变菌株的生长状况进行评估，以及对缺失基因的相关性进行研究，研究人员们最终绘制出一幅支撑生命活动的相互作用网络图谱。两年前，他们报告了这张图谱的细节，并宣称它已经帮助研究人员们发现了一些此前未知的基因作用。
然而，在这项研究中，他们观察到仍有大量基因与其它基因没有任何明显的相互作用。Andrews意识到“也许，某些情况下，删除两个基因还是不够的”。当时实验室的研究生Elena Kuzmin决定更进一步，敲除掉第三个基因。
在近日发表于《科学》杂志的论文中，Kuzmin、Boone、Andrews以及他们在多伦多大学、明尼苏达大学和其它机构的合作者共同报道了一张更深入、更详细的细胞内部运行图谱。与双突变实验不同，研究人员并没有做出全部可能的敲除组合（如果全部尝试需要360亿个三敲除组合）。
研究人员观察了他们在双敲除实验中得到的结果，并按照对酵母生长的影响程度对它们间的相互作用进行了排序。他们选取了其中的一些组合（这些组合的作用范围从使细胞生长略慢一点到使细胞生长严重受损），然后将这些组合与其他基因进行逐一敲除匹配，最终产生了约20万个三重突变酵母菌株。通过检测敲除菌株的生长状况，以及数据库中检索到的基因信息，它们试图揭示这些被敲除基因的潜在功能。
随着这张全新图谱的建立，有几件事情开始变得清楚起来。首先，大约三分之二的三重突变体中出现了额外的遗传相互作用，敲除第三个基因往往会加剧双重突变时所表现出来的影响。
Andrews说：“成对的基因（敲除）已经显示出一些相互作用，但当我们敲除掉第三个基因时，情况变得严重得多。”Boone则表示，在这种情况下，第三个基因的缺失可能对本就已经摇摇欲坠的系统造成了致命的打击。
除此之外，还有三分之一全新的相互作用，且这些基因往往参与的是更加不同的功能。在双突变体中，基因间的功能联系往往非常紧密：参与DNA修复的基因与通常也参与DNA修复的基因存在相互作用。然而，随着三重突变体的出现，负责更遥远的细胞功能的基因开始联系到了一起。
Andrews表示：“也许我们这次采样到的基因揭示了一些以前我们从未意识到的细胞功能联系。”
例如，在我们的研究结果中，一种负责参与蛋白质运输的基因与另一种负责DNA修复的基因间产生了互作。从表面来看，我们很难看出为什么这两种细胞功能会产生联系。
事实上，到现在研究人员对这背后的机制也还没有一个解释。Andrews说道：“在最初观察到这些现象时我们认为这有点随机，但随着项目的深入，我们发现这些存在相互关联的细胞功能并非是随机的，我们只是还不清楚它们的具体联系方式。”
他们的小组才刚刚开始探索蛋白质转运和DNA修复间的联系，但根据Andrews的说法，如果你仔细观察这些酵母细胞，它们确实存在着大量的DNA损伤。如果没有基因互作图谱，我们很少会关注到这一点。
酵母遗传学家从不认为只有必需基因才是重要的基因。而这篇新论文则强化了这一观点，即此前对酵母基因组中重要物质的解释是不全面的。Boone和Andrews认为，现实情况要更加复杂。他们认为，当考虑到双重以及三重相互作用时，对酵母细胞来说它们所必需的基因数量就会迅速升高。正如他们论文所指出的，酵母避免发生实质性缺陷所需的最小基因组可能近乎等于它们基因组中编码的所有基因。
事实上，设计带有最小基因组的微生物（确定细胞生存所需的最小数量的基因，这也是人工合成基因组的关键步骤）的工作已经表明，创建出缺少某些基因却仍能蓬勃生长的生物是非常困难的。
2016年，J. Craig Venter研究所（JCVI）的研究人员完成了生殖道支原体人工基因组的构建，在这一版本的基因组中，基因由野生型的525个筛减到了473个。然而，去除掉那些看似无关紧要的基因却还是对细胞生长造成了一些负面影响，参与到这项工作的JCVI生物化学家Clyde A. Hutchison III也表示：“这是选择用来创建最小基因组的基因集所面临的主要问题。”
约翰霍普金斯大学的系统生物学家Joel Bader表示，目前的工作与人类遗传学中的一个想法有着奇妙的联系，即各种各样的基因都可能会影响一些我们通常认为不与之相关的特征。“我们能够观察的越深入，就越能够看到，扰乱一个基因或一条途径的影响会扩散到整个系统中。”Joel说，“这些影响可能变得很弱，但仍然能被观测到。”
尽管科学家们对酵母的认识也还不算太全面，但与人体细胞相比，酵母已经算是比较容易研究的了。多伦多大学的这项研究之所以能够完成，一方面是因为酵母基因组的复杂程度还远不及人类基因组，另一方面则是因为几代的生物学家已经对酵母进行了大量研究，并对其基因组进行了复杂的注释。
相对而言，复杂的人类基因组对我们来说仍是庞杂的、充满神秘的。不过，研究人员也表示，随着人类细胞基因编辑技术的发展，这类实验未来或许也可以帮助我们揭示更多有关细胞的工作原理以及基因组中不同基因的相互关联。Andrews说：“我认为我们仍有许多基因组生物学的基本规律尚待阐明。”
参考文献：https://www.quantamagazine.org/how-many-genes-do-cells-need-maybe-almost-all-of-them-20180419/
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