近日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員戴俊彪團隊開發(fā)出一種被稱為SGC（SCRaMbLE-based genome compaction）的人工基因組的高效簡化策略，并以此方法刪除了第十二號染色體左臂中超過一半的非必需基因，為第一個最小真核基因組的構建、理解真核生命的核心組成奠定了理論和技術基礎。相關研究成果以Compacting a synthetic yeast chromosome arm為題，發(fā)表在Genome Biology上。戴俊彪、深圳先進院副研究員羅周卿、英國曼徹斯特大學教授蔡毅之為論文的共同通訊作者，羅周卿和深圳先進院研究助理余康為論文的共同第一作者。

最小真核基因組的構建是基因組學中的重要議題，被稱為該領域的“圣杯”。通過精簡基因組、去除冗余基因，可為認識生命的起源和進化提供重要線索，有助于深化對基因組功能組成和運轉方式的認識。2016年，最小原核基因組由J. Craig Venter團隊構建出來。面對更復雜的真核生物基因組，如何構建其最小基因組是合成基因組學領域具有挑戰(zhàn)性的問題。

Sc2.0項目是世界上第一個真核基因組合成項目，已成功構建出六條染色體。與野生型基因組相比，合成酵母基因組的一個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loxPsym，這使得在Cre重組酶表達時，合成基因組可以發(fā)生倒置、缺失、重復和易位等各種重排（SCRaMbLE系統(tǒng)），為最小酵母基因組的構建提供了可能，研究團隊對此進行了深入研究，最終實現(xiàn)了真核合成染色體的高效精簡。

SCRaMbLE產生的基因組重排是隨機的，刪除是其中的一種形式，為確保SCRaMbLE之后的基因組均發(fā)生序列刪除，研究人員通過選取合適的插入位點，將選擇性標記–URA3基因插入到合成的染色體中；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介導的刪除以兩個loxPsym位點之間的序列為基本單位，因此，若兩個loxPsym位點之間包含必需基因，則該片段內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，實現(xiàn)無偏刪除？

對此，研究人員利用釀酒酵母同源重組技術，以eArray的形式為酵母細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。為實現(xiàn)基因組的逐步簡化，直至最小化，研究人員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個非必需基因中的39個，將左臂的長度縮短了近100 kbp（原總長度為170 kbp）。

通過系列研究，研究人員開發(fā)出基于必需基因陣列的合成染色體迭代刪減技術，這對于合成酵母的基因組精簡來說，是一種通用且高效的工具，將為第一個真核最小基因組的構建奠定技術基礎。據了解，該研究是Sc3.0國際合作項目中的試點項目之一，由曼徹斯特大學、紐約大學及深圳先進院共同發(fā)起，由GP-write中國中心支持，旨在構建首個真核最小基因組，該國際合作倡議于近期發(fā)表在Genome Biology上。

論文鏈接：1、2

圖1.SGC（SCRaMbLE-based genome compaction）基因組簡化方法

圖2.SGC介導的基因組連續(xù)刪減

來源： 深圳先進技術研究院