深圳先進(jìn)院等成功開發(fā)出一種人工基因組的高效簡化策略
近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院戴俊彪研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種稱為SGC（SCRaMbLE-based genome compaction）的人工基因組的高效簡化策略，并以此方法成功刪除了第十二號(hào)染色體左臂中超過一半的非必需基因，為第一個(gè)最小真核基因組的構(gòu)建及理解真核生命的核心組成奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
最新研究成果以Compacting a synthetic yeast chromosome arm為題，于1月4日在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Genome Biology發(fā)表。深圳先進(jìn)院戴俊彪研究員、羅周卿副研究員和英國曼徹斯特大學(xué)蔡毅之教授為該論文的共同通訊作者。深圳先進(jìn)院羅周卿副研究員和余康研究助理為該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”。通過基因組的精簡，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，最小原核基因組已由J. Craig Venter團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出來。面對更為復(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)域的下一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
Sc2.0項(xiàng)目是世界上第一個(gè)真核基因組合成項(xiàng)目，已經(jīng)成功構(gòu)建了六條染色體。相對于野生型基因組，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)對此展開了深入的研究，最終成功實(shí)現(xiàn)了真核合成染色體的高效精簡。
SCRaMbLE所產(chǎn)生的基因組重排是隨機(jī)的，刪除是其中的一種形式，為了確保SCRaMbLE之后的基因組都發(fā)生序列刪除，研究者們通過選取合適的插入位點(diǎn)，將選擇性標(biāo)記--URA3基因插入到了合成的染色體中；然后通過藥物對該基因的反篩作用，富集了該基因所在片段被刪除的菌株。此外，SCRaMbLE所介導(dǎo)的刪除是以兩個(gè)loxPsym位點(diǎn)之間的序列為基本單位的，因此如果兩個(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法被刪除，如何覆蓋到這些非必需基因，實(shí)現(xiàn)無偏刪除？
對此，研究者們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1/3的基因。為實(shí)現(xiàn)基因組的逐步簡化，直致最小化，研究團(tuán)隊(duì)建立了合成基因組的連續(xù)刪減流程，通過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)，成功將左臂的長度縮短了近100 kbp（原總長度為170 kbp）。
通過一系列的研究，團(tuán)隊(duì)成功地開發(fā)了基于必需基因陣列的合成染色體迭代刪減技術(shù)，這對合成酵母的基因組精簡而言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，該項(xiàng)研究是Sc3.0國際合作項(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中國中心支持，旨在構(gòu)建首個(gè)真核最小基因組，該國際合作倡議也于近期發(fā)表于Genome Biology上。
論文鏈接 （SGC論文）
論文鏈接2 （Sc3.0論文）
圖1. SGC（SCRaMbLE-based genome compaction）基因組簡化方法
圖2. SGC介導(dǎo)的基因組連續(xù)刪減
