NC | 华大研究院沈玥/付宪团队开发基因组重排的新型调控方法并揭示关键影响因素

2022年10月，来自深圳华大生命科学研究院沈玥研究员/付宪副研究员团队在Nature Communications杂志发表题为Systematic dissection of key factors governing recombination outcomes by GCE-SCRaMbLE的研究论文。该研究利用基因密码子拓展技术实现对于SCRaMbLE系统的精确调控，具有低泄漏和精细调控的优势。基于该技术，研究利用不同合成型染色体数量、倍型和构象的Sc2.0酵母作为研究对象，通过对1380株酵母在无筛选压力条件下基因组的精细重构和6个酵母群体的超深度测序，揭示了Cre酶丰度、染色体倍型和构象对于SCRaMbLE重组结果的影响，为后续Sc2.0酵母基于SCRaMbLE系统的应用提供理论指导。

支持本研究结果的SCRaMbLEd合成酵母菌株的DNA测序数据已存储于国家基因库生命大数据平台（CNGBdb），项目编号为：CNP0002899。

研究背景

Sc2.0项目是首个真核基因组合成项目，旨在对酿酒酵母的基因组进行从头人工合成【1-7】。相对于野生型基因组，合成酵母基因组的一个核心设计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，通过诱导Cre重组酶的表达，合成基因组可以发生缺失、倒置、重复和易位等各种重排事件（SCRaMbLE系统），产生遗传多样性，进而用于理论和应用研究。虽然基于SCRaMbLE系统的合成型酵母已经在高产和耐受菌株开发、基因组精简等合成生物学领域展现出重大的应用潜力【8-11】。但是，影响SCRaMbLE重排结果的关键因素尚不全面，目前仍缺乏简易、高效、正交地精确调控SCRaMbLE系统的技术，制约了SCRaMbLE系统的进一步广泛应用。

研究内容

研究首先基于对Cre重组酶结构和功能分析，利用基因密码子拓展技术定点引入非天然氨基酸来控制全长Cre酶表达（图一），进而构建了依赖于非天然氨基酸的SCRaMbLE系统调控方法（GCE-SCRaMbLE）。基于荧光报告系统和深度测序分析均证实该技术具有极低的本底活性，有利于保证重排后菌株基因组的稳定性。

基于GCE-SCRaMbLE的优势，研究进一步系统设计了23组不同变量的实验条件（每组30个独立的平行SCRaMbLE实验），通过对每株Sc2.0酵母重排后基因组结构变异的深度解析发现：（1）利用不同非天然氨基酸浓度和不同引入位点可调控Cre酶细胞内的浓度，且Cre酶丰度与SCRaMbLE重组发生率和发生数量呈正相关性；（2）二倍体Sc2.0菌株基因组可删除程度显著高于单倍体菌株，且染色体倍型影响不同类型重排事件的比例；（3）染色体接触强度与SCRaMbLE重组发生率具有显著的正相关，且染色体环化导致端粒附近区域的染色体接触强度明显增强，进一步引起染色内部重组事件数量的增加。

研究结论

总体而言，本研究一方面开发了简单且能够精准调控合成型酵母基因组重排过程的方法，有助于加速酵母菌株的快速进化，助力得到在医药、化工、能源、环境、农业等领域有重要应用潜力的优良菌株。同时，本研究首次展示了在无筛选压力条件下Sc2.0酵母基因组结构变异的图谱，揭示了Cre酶丰度、染色体倍型和构象对于重组结果的关键作用，为SCRaMbLE技术提供了重要的理论指导。值得指出的是，UAG密码子的全基因组替换是Sc2.0酵母另外一个核心设计元素，为基于Sc2.0酵母的基因密码子拓展技术提供了具有空白密码子的适配性底盘。本研究开发的GCE-SCRaMbLE方法将与全合成Sc2.0酵母完美适配。

来自深圳华大生命科学研究院的沈玥研究员和付宪副研究员为该论文的共同通讯作者。来自中国科学院大学生命科学学院（华大专项）的张惠铭和深圳华大生命科学研究院的付宪副研究员为该论文的共同第一作者。纽约大学朗格尼健康中心的赵毓博士对于该研究提供了多染色体合成菌株与实验方面的帮助。

参考文献：1.  Annaluru, N. et al. Total synthesis of a functional designer eukaryotic chromosome. Science 344, 55–58 (2014).2. Shen, Y. et al. Deep functional analysis of synII, a 770-kilobase synthetic yeast chromosome. Science 355, eaaf4791 (2017).3. Xie, Z. X. et al. “Perfect” designer chromosome V and behavior of a ring derivative. Science 355, eaaf4704 (2017).4. Richardson, S. M. et al. Design of a synthetic yeast genome. Science 355, 1040–1044 (2017).5. Wu, Y. et al. Bug mapping and fitness testing of chemically synthesized chromosome X. Science 355, eaaf4706 (2017).6. Mitchell, L. A. et al. Synthesis, debugging, and effects of synthetic chromosome consolidation: synVI and beyond. Science 355, eaaf4831 (2017).7. Zhang, W. et al. Engineering the ribosomal DNA in a megabase synthetic chromosome. Science 355, eaaf3981 (2017).8．Blount, B. A. et al. Rapid host strain improvement by in vivo rearrangement of a synthetic yeast chromosome. Nat. Commun. 9, 1932 (2018).9. Zhang, Y. et al. Systematical engineering of synthetic yeast for enhanced production of lycopene. Bioengineering (Basel) 8, (2021).10. Shen, M. J. et al. Heterozygous diploid and interspecies SCRaMbLEing. Nat. Commun. 9, 1934 (2018).11. Luo, Z. et al. Compacting a synthetic yeast chromosome arm. Genome Biol. 22, 5 (2021).12. Zhang, H., Fu, X., Gong, X. et al. Systematic dissection of key factors governing recombination outcomes by GCE-SCRaMbLE. Nat Commun 13, 5836 (2022).

信息来源：“遇见生物合成”公众号