Cell Genomics新成果构建人工合成酵母，揭示非整倍体表型恢复的两种不同途径

2011年，美国、中国、英国、新加坡、澳大利亚等国启动“人工合成酵母基因组计划（Sc2.0 Project）”，旨在重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体，这是人类首次尝试对真核生物的基因组进行从头设计合成。

2023年11月8日，Sc2.0项目最新研究成果在Cell 及其子刊发布，其中，Cell Genomics以封面和专辑形式发表了多篇研究成果。此次成果发布标志着世界首个真核生物全部染色体的从头设计与合成正式完成，合成生物学领域的科学里程碑项目取得重大进展，为未来合成基因组学的研究奠定了重要参考。

其中，国家基因库生命大数据平台支撑科研成果在《Cell Genomics》发表。该研究题为“Dissecting aneuploidy phenotypes by constructing Sc2.0 chromosome VII and SCRaMbLEing synthetic disomic yeast”，完成了酿酒酵母7号染色体的从头设计合成，并进一步构建了携带合成型染色体的非整倍体疾病模型，揭示了酿酒酵母非整倍缺陷表型恢复背后两种不同的途径，并发现了在表型恢复过程中起到关键作用的基因，为染色体异常疾病的研究提供了新策略。

支持此项研究的相关数据已存储于国家基因库生命大数据平台（CNGBdb），项目编号为：CNP0002230。

研究背景

非整倍体（Aneuploidy），通常指细胞染色体数目异常，是人类癌症基因组中最普遍的变异，与胚胎致死、肿瘤和衰老等疾病息息相关[1-3]。尽管研究者已广泛关注到非整倍体在疾病中的重要地位，但由于存在遗传背景差异大和缺乏模型构建技术以及形成非整倍体的DNA区域涉及众多基因等问题，极大地限制了非整倍体相关机制和功能研究的开展。酿酒酵母作为科学家们研究真核生物生命活动的经典模式生物，其细胞结构和生理过程相对简单而具有代表性，是剖析非整倍体背后复杂机制的理想模式细胞之一。

研究内容

不同于以往研究中构建的基于野生染色体的非整倍体酵母模型，本项目中额外多携带的一条染色体为合成型，其基因组中包含大量的重组酶识别位点loxPsym，使该条染色体具备可诱导发生基因组重排的能力（SCRaMbLE技术，Sc2.0项目的核心设计之一），从而快速产生遗传多样性，为下游的科学与应用研究提供大量的样本空间。

为获得这株遗传背景清晰且高度可控的非整倍体菌株，研究人员首先设计并构建长度为1028 kb酿酒酵母合成型7号染色体（synVII），对其进行精准修复和表征，获得了一株与野生型生长相似的合成菌株。随后通过阻碍目标染色体分离的策略构建了额外携带一条synVII的非整体菌株（n+synVII），通过HI-C染色体捕获技术，展示额外携带的合成染色体与野生染色体在细胞核中对称排列（图1），且携带合成染色体的非整倍菌株较野生型非整倍体菌株更稳定。

随后基于SCRaMbLE技术，研究人员共获得了219株基因型不同的表型恢复菌株。通过对这些恢复菌株进行深度解析，发现了两种不同的非整倍体表型恢复途径：1.去除大多数额外的多余染色体组分；2.改变目标染色体的特定区域，与之前该领域的‘‘基因大规模作用（mass action of genes）’’和‘‘少数关键基因（few critical genes）’’ 假说分别对应。有意思的是，本研究通过对部分恢复菌株的变异关联分析发现synVII一个~20 Kb区域的删除与表型的恢复强相关（p = 4.20E-11）。为进步找出该区段中发挥作用的核心基因，研究人员在初始非整数倍体菌株中对这~20 Kb区域进行逐级分段与单基因敲除验证，实验结果发现其中有5个基因RPS23A、NUP57、COG2、YGR121W-A 和YGR122W在表型恢复的过程中起到了关键作用，为后续非整倍体表型的功能研究提供新的潜在靶点（图2）。

综上，该研究一方面为非整倍体的研究提供了新的策略，可短时间内快速获得大量核型和表型各异的非整倍体菌株，为后续相关的研究提供大量的研究材料；一方面该模型或有望应用于非整倍体疾病的致病靶点和相关药物的筛选。

华大生命科学研究院沈玥研究员与英国曼彻斯特大学的蔡毅之教授为该论文的通讯作者。王云副研究员以及中国科学院大学生命科学学院（华大专项）的王悦荣为该论文的共同第一作者。此外，中科院戴俊彪课题组、复旦大学沈侠课题组和纽约大学Jef Boeke课题组也对本项目提供了重要的帮助。本项工作是国际合成酵母基因组（Sc2.0）研究的一部分，得到了国家重点研发计划、英国生物技术和生物科学研究委员会（BBSRC）、工程与物理科学研究委员会（EPSRC）等多个项目的经费支持。

原文链接：https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00147-7

参考文献：1. Holland, A.J. and D.W. Cleveland, Boveri revisited: chromosomal instability, aneuploidy and tumorigenesis. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2009. 10(7): p. 478.2. Nagaoka, S.I., T.J. Hassold, and P.A. Hunt, Human aneuploidy: mechanisms and new insights into an age-old problem. Nature Reviews Genetics, 2011. 13(7): p. 493.3. Gisselsson, D., Aneuploidy in cancer. Cell Cycle, 2011.

信息来源于：“遇见生物合成”和“华大集团BGI”公众号。