作為包含了物種所有遺傳信息的復(fù)雜序列，基因組存在普遍的冗余性。 除了維持生存所需的必需基因外，基因組內(nèi)還具有大量輔助型核心基因，使得生命系統(tǒng)在面對(duì)復(fù)雜環(huán)境變化或者部分基因功能喪失時(shí)依舊能維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。合成基因組學(xué)作為新興的研究領(lǐng)域，以突破從頭設(shè)計(jì)與合成物種基因組的相關(guān)理論和技術(shù)為目標(biāo)，致力于解答DNA序列與生物學(xué)功能的關(guān)聯(lián)，拓展人類對(duì)生命本質(zhì)的認(rèn)知和理解，合成新型人造生命。目前，人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)病毒、細(xì)菌的基因組的設(shè)計(jì)與合成，并創(chuàng)建了僅含有473個(gè)基因的最小原核基因組。 

　　由于基因組大小和復(fù)雜度的增加，真核生物基因組的合成面臨更多挑戰(zhàn)。世界上首個(gè)真核生物基因組合成計(jì)劃—釀酒酵母基因組合成計(jì)劃（Sc2.0）經(jīng)過(guò)17年的不懈努力，近期完成了所有酵母染色體的人工合成（見(jiàn)BioArt 十篇齊發(fā)！邁向人造真核全基因組，國(guó)際釀酒酵母基因組合成計(jì)劃（Sc2.0）宣布第二階段重大進(jìn)展報(bào)道）。在Sc2.0中，通過(guò)對(duì)重復(fù)序列的刪減等預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)約8%的酵母基因組的精簡(jiǎn)。為了進(jìn)一步探索酵母基因組序列的必需性和可塑性，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院客座研究員戴俊彪聯(lián)合曼徹斯特大學(xué)教授蔡毅之和紐約大學(xué)教授Jef Boeke發(fā)起了Sc3.0計(jì)劃¹，旨在對(duì)酵母基因組進(jìn)行深度精簡(jiǎn)和重構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)建首個(gè)最小酵母基因組，探究真核生命的核心元素。 

　　2023年11月30日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院戴俊彪團(tuán)隊(duì)和趙喬團(tuán)隊(duì)在Nature Communications在線發(fā)表題為Building a eukaryotic chromosome arm by de novo design and synthesis的研究論文，通過(guò)自下而上的設(shè)計(jì)策略指導(dǎo)釀酒酵母12號(hào)染色體左臂（chrXIIL）的深度精簡(jiǎn)和優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)僅需20%的天然序列即可支持菌株存活，約45%的天然序列足以恢復(fù)菌株的穩(wěn)健表型；并進(jìn)而利用顯著區(qū)別于天然序列的合成型序列構(gòu)建了可替代內(nèi)源chrXIIL來(lái)支持酵母存活的功能性人工染色體。這是戴俊彪團(tuán)隊(duì)繼2021年利用Sc2.0合成染色體中引入的重排系統(tǒng)（SCRaMbLE）建立基于非理性隨機(jī)刪減的基因組精簡(jiǎn)策略后²（見(jiàn)BioArt Genome Biology兩連發(fā) 戴俊彪組報(bào)道人工基因組高效簡(jiǎn)化策略——Sc3.0正式拉開(kāi)序幕報(bào)道），取得的Sc3.0計(jì)劃的又一重要進(jìn)展。 

　　釀酒酵母中必需基因定義為敲除該基因后菌株不能在富營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基上存活。系統(tǒng)性基因敲除的研究表明約80%酵母基因都是非必需基因。釀酒酵母中存在復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò)，90%以上的非必需基因與其他基因存在遺傳相互作用。多基因的同時(shí)移除極易導(dǎo)致合成致死現(xiàn)象，使得對(duì)酵母染色體及基因組的理性精簡(jiǎn)具有極大的挑戰(zhàn)性。為探究酵母基因組理性精簡(jiǎn)的設(shè)計(jì)路線，在本研究中研究人員選擇了釀酒酵母chrXIIL為研究對(duì)象。 

　　chrXIIL全長(zhǎng)150kb，編碼74個(gè)基因，包含10個(gè)必需基因。首先，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)新型線性染色體骨架，便于后續(xù)多個(gè)版本人工染色體的高效組裝。為了測(cè)試排布方式對(duì)于左臂上必需基因功能的影響，研究人員構(gòu)建了不同版本的必需基因染色體。結(jié)果顯示，相較于轉(zhuǎn)錄方向，調(diào)控序列的改變對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄水平具有更為顯著的影響，而構(gòu)建的必需基因染色體均可以很好地替代內(nèi)源必需基因的功能。 

　　隨后，研究人員通過(guò)同源重組介導(dǎo)的染色體截短技術(shù)在二倍體中實(shí)現(xiàn)了其中一條chrXIIL的整體刪除，發(fā)現(xiàn)僅必需基因染色體不足以替代左臂支持菌株生存，需要增加額外的關(guān)鍵基因。通過(guò)對(duì)11基因組合（10個(gè)必需基因+1個(gè)非必需基因）的系統(tǒng)性測(cè)試，研究人員未獲得可支持菌株存活的組合。但是，即使只需要回補(bǔ)2個(gè)基因，也存在超過(guò)1000種可能，亟需有效的理性原則來(lái)指導(dǎo)關(guān)鍵基因的篩選。 

　　為了量化遺傳相互作用數(shù)目，本研究將與特定基因存在遺傳相互作用的其他基因的數(shù)目（GGI）作為一個(gè)評(píng)估參數(shù)。分析發(fā)現(xiàn)，必需基因相較于非必需基因存在更高的GGI, 且90%的高GGI基因（超過(guò)必需基因GGI的平均值）與其他基因存在合成致死的現(xiàn)象。基于“更高GGI的基因的功能更重要”的假設(shè)，研究人員以必需基因GGI平均值的兩倍作為閾值，篩選獲得兩個(gè)關(guān)鍵基因，并構(gòu)建了帶有12個(gè)基因的人工染色體，發(fā)現(xiàn)該染色體可成功替代內(nèi)源染色體臂來(lái)支持菌株存活，但存在嚴(yán)重的生長(zhǎng)缺陷。 

　　為修復(fù)該菌株的生長(zhǎng)缺陷，研究者通過(guò)選擇性回補(bǔ)額外13個(gè)非必需基因（其他高GGI基因和單敲除后存在生長(zhǎng)缺陷的基因），構(gòu)建了表型顯著回復(fù)的新菌株，證實(shí)了優(yōu)化原則的有效性。隨后，研究人員利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)鑒定了另外2個(gè)重要基因，結(jié)果顯示回補(bǔ)27個(gè)基因的菌株的生長(zhǎng)得到了顯著恢復(fù)，突出了組學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)于精簡(jiǎn)染色體的優(yōu)化迭代的指導(dǎo)意義。 

　　合成菌株的代謝組數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，合成菌株中多個(gè)代謝途徑受到了影響，涉及到多種氨基酸代謝通路，并且不同菌株差異性代謝產(chǎn)物主要集中在ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通路。這些結(jié)果提示合成菌株中氨基酸的跨膜運(yùn)輸或者利用方面存在一定的功能缺陷，進(jìn)而影響菌株生長(zhǎng)，為解析菌株生長(zhǎng)抑制機(jī)制提供了一種潛在方案。 

　　在實(shí)現(xiàn)左臂序列的精簡(jiǎn)后，研究人員采用了大膽的策略來(lái)對(duì)序列進(jìn)行最大程度的改編設(shè)計(jì)：1）一種氨基酸僅對(duì)應(yīng)一個(gè)優(yōu)化密碼子的策略來(lái)重構(gòu)基因編碼序列，2）使用完全不同于天然序列的合成型啟動(dòng)子與終止子來(lái)改編調(diào)控序列。通過(guò)高效的組裝建庫(kù)和篩選方案，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了24個(gè)基因的功能重構(gòu)，并利用重構(gòu)的轉(zhuǎn)錄單元，構(gòu)建了可單獨(dú)支持細(xì)胞存活的全人工序列染色體。  

　　綜上所述，該研究在染色體臂范圍內(nèi)探究了支持生存的最小基因集，不僅達(dá)到了前所未有的精簡(jiǎn)程度，還提出了一種新型優(yōu)化策略，為酵母基因組的系統(tǒng)精簡(jiǎn)提供了可能的解決方案。與此同時(shí)，該研究引入具有前瞻性的重編設(shè)計(jì)，并證實(shí)了利用顯著區(qū)別于天然序列的全人工染色體替代天然染色體臂功能的可行性。本研究結(jié)果揭示了酵母基因組序列令人驚嘆的冗余性和可塑性。 

　　中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員姜雙英、廈門大學(xué)教授羅周卿為論文共同第一作者。戴俊彪研究員與趙喬研究員為論文通訊作者。感謝中山大學(xué)眼科中心副研究員肖傳樂(lè)為全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組分析提供的幫助。該研究獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、中國(guó)科學(xué)院大科學(xué)計(jì)劃、深圳市科技計(jì)劃及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等多個(gè)項(xiàng)目的支持。 

文章鏈接 

參考文獻(xiàn)：

　　1. Dai, J., Boeke, J.D., Luo, Z., Jiang, S. & Cai, Y. Sc3.0: revamping and minimizing the yeast genome. Genome Biology 21, 205 (2020). 

　　2. Luo, Z. et al. Compacting a synthetic yeast chromosome arm. Genome Biol 22, 5 (2021).