Genome Biology|戴俊彪课题组开发真核基因组的高效简化方法_合成生物

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Genome Biology|戴俊彪课题组开发真核基因组的高效简化方法

发布时间 2021-01-11 16:03点击次数 211次

1月4日,国际权威学术期刊Genome Biology杂志在线发表了戴俊彪课题组的最新研究成果“Compacting a synthetic yeast chromosome arm”,报道了一种称为SGC(SCRaMbLE-based genome compaction)的人工基因组高效简化策略,并以此方法成功删除了第十二号染色体左臂中超过一半的非必需基因,为第一个最小真核基因组的构建及理解真核生命的核心组成奠定了理论和技术基础。中国科学院深圳先进技术研究院戴俊彪研究员、罗周卿副研究员和英国曼彻斯特大学蔡毅之教授为该论文的共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院罗周卿副研究员和余康研究助理为该论文的共同第一作者。中山大学肖传乐课题组及海南大学谢尚潜课题组为该论文的研究工作提供了大力支持。


最小真核基因组的构建是基因组学中的重要议题,被称为该领域的“圣杯”。通过基因组的精简,去除冗余基因,可为认识生命的起源和进化提供重要线索,有助于深化对基因组功能组成和运转方式的认识。最小原核基因组已于2016年由J. Craig Venter课题组构建出来。面对更为复杂的真核生物基因组,如何构建其最小基因组是合成基因组学领域的下一个重大挑战。

Sc2.0项目是世界上第一个真核基因组合成项目,已经成功构建了六条染色体。相对于野生型基因组,合成酵母基因组的一个特征是在酵母基因组中系统性地插入了大量的序列特异性重组位点loxPsym,这使得在Cre重组酶表达时,合成基因组可以发生倒置、缺失、重复和易位等各种重排(SCRaMbLE系统),为最小酵母基因组的构建提供了可能,戴俊彪课题组对此展开了深入的研究。在所开发的SGC方法中(图1),研究者们克服了系列的困难,成功实现了真核合成染色体的高效精简,具体包括以下方面:


 

图1. SGC(SCRaMbLE-based genome compaction)基因组简化方法。


1) SCRaMbLE所产生的基因组重排是随机的,删除只是其中的一种形式,如何确保SCRaMbLE之后的基因组都发生了序列删除?研究者们通过选取合适的插入位点,将选择性标记--URA3基因插入到了合成的染色体中;然后通过药物对该基因的反筛作用,只有删除了URA3基因所在的片段的菌株才能在含有药物的培养基中生长,富集了发生删除的菌株。

2) SCRaMbLE所介导的删除是以两个loxPsym位点之间的序列为基本单位的,因此,如果两个loxPsym位点之间包含必需基因,则该片段内的其他非必需基因也无法被删除,如何覆盖到这些非必需基因,实现无偏删除?研究者们利用酿酒酵母同源重组技术,以eArray的形式为酵母细胞提供了必需基因的额外拷贝。在eArray存在的情况下,单次SCRaMbLE的删除能力提升了3倍左右,甚至可以一次删除合成序列上超过1/3的基因。

3) 如何实现基因组的逐步简化,直至最小化?研究者们建立了合成基因组的连续删减流程。通过3次的连续删减,在保证菌株存活的前提下,最终删除了合成序列上65个非必需基因中的39个,成功将左臂的长度缩短了近100 kbp(原总长度为170 kbp)。


 “通过这一系列的研究,我们成功地开发了基于必需基因阵列的合成染色体迭代删减技术,这对合成酵母的基因组精简而言是一种通用且高效的工具,将为第一个真核最小基因组的构建奠定技术基础”,罗周卿副研究员对该论文的工作做出了自己的总结。

“这项工作是我们最近提出的Sc3.0国际合作项目中的试点项目之一,该项目的目标是构建首个真核最小基因组,由曼彻斯特大学蔡毅之教授、纽约大学Jef D. Boeke教授和我自己本人共同发起,GP-write中国中心将为本项目的开展提供大力的支持。通过Sc3.0的研究,我们将对酵母基因组展开深度设计,探索基因排布、功能组成及非编码序列等对基因组活性的系统性影响,为生命的从头设计奠定理论和技术基础。该国际合作倡议也于近期发表于Genome Biology杂志上”。该论文的通讯作者、合成生物学研究所副所长戴俊彪研究员补充道。


论文链接:

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-02232-8 (SGC paper)

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-02130-z (Sc3.0 paper)