深圳先進(jìn)院等開(kāi)發(fā)出一種人工基因組的高效簡(jiǎn)化策略

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近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員戴俊彪團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種被稱為SGC（SCRaMbLE-based genome compaction）的人工基因組的高效簡(jiǎn)化策略，并以此方法刪除了第十二號(hào)染色體左臂中超過(guò)一半的非必需基因，為第一個(gè)最小真核基因組的構(gòu)建、理解真核生命的核心組成奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以Compacting a synthetic yeast chromosome arm為題，發(fā)表在Genome Biology上。戴俊彪、深圳先進(jìn)院副研究員羅周卿、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)教授蔡毅之為論文的共同通訊作者，羅周卿和深圳先進(jìn)院研究助理余康為論文的共同第一作者。

最小真核基因組的構(gòu)建是基因組學(xué)中的重要議題，被稱為該領(lǐng)域的“圣杯”。通過(guò)精簡(jiǎn)基因組、去除冗余基因，可為認(rèn)識(shí)生命的起源和進(jìn)化提供重要線索，有助于深化對(duì)基因組功能組成和運(yùn)轉(zhuǎn)方式的認(rèn)識(shí)。2016年，最小原核基因組由J. Craig Venter團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出來(lái)。面對(duì)更復(fù)雜的真核生物基因組，如何構(gòu)建其最小基因組是合成基因組學(xué)領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

Sc2.0項(xiàng)目是世界上第一個(gè)真核基因組合成項(xiàng)目，已成功構(gòu)建出六條染色體。與野生型基因組相比，合成酵母基因組的一個(gè)特征是在酵母基因組中系統(tǒng)性地插入了大量的序列特異性重組位點(diǎn)loxPsym，這使得在Cre重組酶表達(dá)時(shí)，合成基因組可以發(fā)生倒置、缺失、重復(fù)和易位等各種重排（SCRaMbLE系統(tǒng)），為最小酵母基因組的構(gòu)建提供了可能，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)此進(jìn)行了深入研究，最終實(shí)現(xiàn)了真核合成染色體的高效精簡(jiǎn)。

SCRaMbLE產(chǎn)生的基因組重排是隨機(jī)的，刪除是其中的一種形式，為確保SCRaMbLE之后的基因組均發(fā)生序列刪除，研究人員通過(guò)選取合適的插入位點(diǎn)，將選擇性標(biāo)記–URA3基因插入到合成的染色體中；通過(guò)藥物對(duì)該基因的反篩作用，富集了該基因所在片段被刪除的菌株。此外，SCRaMbLE介導(dǎo)的刪除以兩個(gè)loxPsym位點(diǎn)之間的序列為基本單位，因此，若兩個(gè)loxPsym位點(diǎn)之間包含必需基因，則該片段內(nèi)的其他非必需基因也無(wú)法被刪除，如何覆蓋到這些非必需基因，實(shí)現(xiàn)無(wú)偏刪除？

對(duì)此，研究人員利用釀酒酵母同源重組技術(shù)，以eArray的形式為酵母細(xì)胞提供了必需基因的額外拷貝。在eArray存在的情況下，單次SCRaMbLE的刪除能力提升了3倍左右，甚至可以一次刪除合成序列上超過(guò)1/3的基因。為實(shí)現(xiàn)基因組的逐步簡(jiǎn)化，直至最小化，研究人員建立了合成基因組的連續(xù)刪減流程，通過(guò)3次的連續(xù)刪減，在保證菌株存活的前提下，最終刪除了合成序列上65個(gè)非必需基因中的39個(gè)，將左臂的長(zhǎng)度縮短了近100 kbp（原總長(zhǎng)度為170 kbp）。

通過(guò)系列研究，研究人員開(kāi)發(fā)出基于必需基因陣列的合成染色體迭代刪減技術(shù)，這對(duì)于合成酵母的基因組精簡(jiǎn)來(lái)說(shuō)，是一種通用且高效的工具，將為第一個(gè)真核最小基因組的構(gòu)建奠定技術(shù)基礎(chǔ)。據(jù)了解，該研究是Sc3.0國(guó)際合作項(xiàng)目中的試點(diǎn)項(xiàng)目之一，由曼徹斯特大學(xué)、紐約大學(xué)及深圳先進(jìn)院共同發(fā)起，由GP-write中國(guó)中心支持，旨在構(gòu)建首個(gè)真核最小基因組，該國(guó)際合作倡議于近期發(fā)表在Genome Biology上。

論文鏈接：1、2

深圳先進(jìn)院等開(kāi)發(fā)出一種人工基因組的高效簡(jiǎn)化策略-肽度TIMEDOO