李亚丽 科技日报记者 王春
细胞核中的遗传信息如同一本厚厚的书，很多章节夹杂着大量“多余段落”——内含子。细胞在读取这些遗传信息时，必须先由一种叫作“剪接体”的“分子机器”把这些段落精准删除，再将剩余内容拼接，才能最终“翻译”成生命活动所需的蛋白质。
那么，细胞中的这些“多余段落”和负责删除它们的“机器”，究竟是不是真核细胞赖以生存的必需元件？近日，国际学术期刊《细胞》在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心研究员周金秋团队的最新成果。他们给出了这一问题的明确答案——不是。研究团队历时6年，成功构建出世界首个不含任何剪接体内含子的真核细胞。这种被“精简”过的酵母细胞，在删除全部300个内含子后依然存活，且进一步移除剪接体的核心组分后仍能正常生长。
追问生命的“最简”信息
与原核生物相比，真核细胞的基因结构要复杂得多——它们的基因序列被大量非编码内含子隔断，编码蛋白质的外显子则分散其间。当基因被转录成RNA后，剪接体会在极短时间内完成识别、剪切和拼接，稍有差池便可能导致基因表达异常。
长期以来，科学界默认内含子和剪接体是真核细胞的“标配”，是生命活动不可或缺的基石。毕竟，在哺乳动物等高等生物中，一个基因往往含有多个内含子，它们不仅参与基因表达调控，还通过“可变剪接”等方式极大丰富了蛋白质组的多样性。一旦剪接过程出错，可能引发癌症、神经退行性疾病等严重病症。在生命演化的最初阶段，当原始真核细胞刚刚诞生时，难道就已经离不开内含子和剪接体？如果没有这些“多余段落”和“校对员”，最简化的真核细胞还能否存活？
“常有人问，人体没有肝或胃会怎样？在进化的时间尺度上，我们同样问，最早的单细胞生命，没有这些复杂装置能活吗？”周金秋的出发点，便是回答这个问题。
回答这个问题，最直接的办法就是构建一个“零内含子”的真核细胞，观察它能否存活、如何生长。这是一项精细又庞大的工程，在拥有16条染色体的野生型酿酒酵母中，这一想法几乎不可能实现——因为减数分裂时染色体会随机分配，极易产生非整倍体细胞导致死亡。
转机出现在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成功将酿酒酵母的16条染色体融合为1条，构建了世界首例人造单条染色体真核生物模型。这一成果入选当年中国科学十大进展，也为周金秋团队的研究提供了关键模型。单条染色体酵母避免了多染色体随机分配的问题，使通过减数分裂整合基因改造成为可能。“看到覃老师团队把这么难的事做成了，我们受到很大震撼——世界上有什么事不可能？”周金秋说。
巧妙设计“分头施工”策略
即便有了理想的模型生物，挑战依然巨大。酿酒酵母基因组中共有288个携带内含子的基因，总计包含300个内含子，分散在单条染色体各处。在传统的基因编辑流程中，敲除一个内含子大约需要两到三周，按此推算，逐个敲除300个内含子至少需要12年。
研究团队设计了一套巧妙的“分头施工、重组拼装”策略，将时间压缩了一半以上。他们利用酿酒酵母存在a型和α型两种不同交配型的特性，在两种单倍体细胞中分别平行敲除不同的内含子，再通过细胞交配形成二倍体，借助染色体的定点交换和减数分裂，将不同内含子敲除基因整合到同一个细胞中。
2019年7月，周金秋招募研究助理开始尝试。团队首先聚焦于分布在57个必需基因中的59个内含子。到2022年7月，59个内含子被全部敲除，细胞生长状态正常，这极大增强了团队的信心。随后，他们将剩余的内含子分成10组，分别进行敲除和染色体交换。2024年2月，他们获得了敲除298个内含子的模型细胞。
就在团队满心欢喜地投稿时，一位国内期刊审稿人提出：“还有两个内含子藏在其中。”这两个内含子不隶属于编码蛋白质基因，而是存在于编码RNA基因之中。团队进一步敲除了最后两个内含子。
2025年4月，最后一个内含子被成功移除，世界首个无剪接体内含子的真核细胞正式诞生。基因组测序证实，全部300个内含子被精确删除，无一遗漏。
团队发现，真核细胞在删除全部300个内含子后依然存活，但失去所有内含子后，细胞的生长速度明显变慢。研究团队进一步分析发现，101个核糖体蛋白编码基因多数出现表达下调，导致核糖体生成量降幅达70%至80%。这表明，虽然内含子并非细胞存活的必需元件，但在长期进化中，它们已深度融入了细胞的基因调控网络，尤其是与蛋白质合成机器的高效运转密切相关。
团队还发现，当他们在零内含子的细胞中，进一步删除剪接体的多个核心组分时，细胞的生长状况与未删除剪接体的细胞几乎没有区别。这一结果直接证明：剪接体这台复杂的“分子机器”，进化出来的主要功能就是清除内含子。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”。“它就是为了剪切而生的，而不是像很多人猜测的那样，还承担着其他必不可少的功能。”周金秋说。
为多项新研究架起“桥梁”
这项研究的价值，既回答了一个“能或不能”的基础问题，也为多个全新的研究领域架起了“桥梁”。
这个无内含子酵母细胞为研究内含子的起源与演化提供了前所未有的实验平台。科学家可以在“空白画布”上，系统研究转录过程在没有剪接干扰时的真实状态，探索转录与剪接的偶联机制，以及内含子在真核生物复杂化过程中如何逐步获得调控功能。成果共同作者之一、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心博士研究生满鑫向记者解释：“有了这样一个酵母细胞，我们可以把单个内含子逐个加回去，观察细胞如何响应，能够更清晰地研究单个内含子起到什么作用。”
在合成生物学领域，这项工作是构建“最小基因组真核细胞”的重要一步。周金秋团队的工作证明，至少在内含子这一通路上，真核细胞可以大幅简化。这为未来继续删减其他非必需通路、构建“最简真核生命”提供了关键信息。
“这是好奇心驱动的基础研究，短期内或者看不到直接的临床应用。”周金秋坦言。但历史证明，对生命本质的深刻认知，往往是技术突破的源头。周金秋表示，下一步，团队计划在此基础上进一步精简酵母基因组，向着“构建最小基因组”的目标继续做减法。
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