圖1.精確控制合成型單倍體和二倍體酵母基因組重排

圖2.體外DNA重排

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圖3.雜合二倍體與跨物種基因組重排

　　在國家自然科學基金項目(項目編號：21750001，21621004)等資助下，天津大學元英進教授帶領的合成生物學研究團隊開發(fā)了一系列原創(chuàng)的基因組重排技術(shù)和策略，在化學再造酵母應用領域取得重大突破。研究成果分別以“Precise control of SCRaMbLE in synthetic haploid and diploid yeast”(精準控制合成型單倍體和二倍體酵母基因組重排)，“In vitro DNA SCRaMbLE”(體外DNA重排)和“Heterozygous diploid and interspecies SCRaMbLEing”(雜合二倍體和跨物種基因組重排)為題，于2018年5月22日在Nature Communications(《自然·通訊》)上同期發(fā)表三篇研究論文。

論文鏈接：

　　遺傳變異是生物進化的源泉，促使生物在億萬年間可以不斷適應環(huán)境、不斷進化?？茖W家們開發(fā)出多種遺傳變異技術(shù)，通過改變物種的基因型，為研究多樣的生物表型提供原料。然而先前的遺傳變異技術(shù)大多只針對基因?qū)用?SNP,　Indel)進行小規(guī)模改造，在更加復雜的基因組結(jié)構(gòu)變異層面(SV)的人工構(gòu)建仍面臨挑戰(zhàn)。

　　研究團隊開發(fā)了精確控制合成型單倍體和二倍體酵母基因組重排技術(shù)，通過設計“與門”開關實現(xiàn)對合成型釀酒酵母基因組重排過程的精準調(diào)控，結(jié)合酵母細胞生活史開發(fā)了多輪迭代基因組重排技術(shù)，經(jīng)過5輪迭代重排可以使作為細胞工廠產(chǎn)品的胡蘿卜素產(chǎn)量提升38.8倍。深度測序分析揭示基因組發(fā)生了大量的重復，缺失，易位和倒置(圖1)。本研究可以大幅加速生產(chǎn)菌株的快速進化，解析基因組結(jié)構(gòu)變異與功能發(fā)現(xiàn)之間的關系，提升能源醫(yī)藥化學品的生產(chǎn)合成。

　　研究團隊開發(fā)了一種體外DNA重排技術(shù)，通過Cre酶與包含多l(xiāng)oxPsym位點DNA的體外反應體系構(gòu)建，產(chǎn)生了含有基因刪除、反轉(zhuǎn)和復制的結(jié)構(gòu)變異文庫，并且使用單分子實時測序技術(shù)表征了結(jié)構(gòu)變異文庫的多樣性(圖2)。該體外重排技術(shù)提供了一種獨特且高效的構(gòu)建DNA文庫方法，有助于開展便捷的表型和結(jié)構(gòu)變異基因型關聯(lián)分析，對結(jié)構(gòu)變異的基礎研究與代謝通路的工程優(yōu)化具有重要意義。

　　團隊還與紐約大學Michael Shen合作開發(fā)了雜合二倍體與跨物種基因組重排技術(shù)，通過酵母交配的方式將具有靈活基因型的合成型酵母與具有多樣化表型的野生型酵母相結(jié)合，使得合成型酵母基因組重排系統(tǒng)驅(qū)動雜合二倍體和跨物種二倍體的進化。研究人員分別通過雜合二倍體基因組重排和跨物種基因組重排，獲得了可以在攝氏42度下生長加快的菌株和咖啡因耐受性明顯增強的菌株，并且通過基因組測序分析定位了表型進化的結(jié)構(gòu)變異靶點(圖3)。該技術(shù)一方面有助于加速工業(yè)微生物的性狀改良，另一方面對于挖掘新的生物學知識有重要意義。

　　該系列研究成果是合成酵母基因組工作的重要應用延伸和理論支撐，促進了合成基因組學和基因組重排領域的快速發(fā)展。