本站訊 2018年5月22日，天津大學元英進教授帶領的合成生物學研究團隊在《自然通訊》期刊同期發表三篇研究長文，文中介紹了精確控制基因組重排技術等一系列研究成果。該成果填補了基因組結構變異的技術空白，提高了細胞工廠的生產效率，加速了微生物的進化和生物學知識的發現。這是繼人工合成酵母染色體打破非生命物質和生命物質界限后，中國科學家在“設計生命、再造生命、重塑生命”進程中的又一重大技術進展，開啟了合成生物學研究中基因組重排這一全新研究領域。
天津大學合成生物學團隊的賈斌與吳毅等人完成了《精確控制合成型單倍體和二倍體酵母基因組重排》（Precise control of SCRaMbLE in synthetic haploid and diploid yeast）；天津大學合成生物學團隊的吳毅與朱瑞瑩等人完成了《體外DNA重排》（In vitro DNA SCRaMbLE）；美國紐約大學Michael Shen與天津大學合成生物學團隊的吳毅等人完成了《雜合二倍體與跨物種基因組重排》（Heterozygous diploid and interspecies SCRaMbLEing）。
在生命科學領域，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境、不斷進化。科學家們也開發出多種遺傳變異技術，來獲取多樣的DNA，從而為獲取多樣的生物特征提供原料。然而以前的DNA變異技術大多只針對基因層面進行小規模改造，在更加復雜的基因組結構變異層面的人工構建技術仍具有挑戰。
天津大學科研團隊正是瞄準這一難題，在去年報道的合成酵母染色體的基礎上，研究出能夠精準控制基因重排的方法，使作為研究對象的微生物——酵母菌，在有限時間內產生幾何級增長的基因組變異，驅動其快速進化。他們還開創多種方法使變異后的酵母菌株具備穩定的生物活性，并作為細胞工廠來高效率產出β-胡蘿卜素。
釀酒酵母是生物學研究中的模式真核單細胞生物。論文《精確控制合成型單倍體和二倍體酵母基因組重排》通訊作者元英進教授表示,“化學合成酵母一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎生物學的問題，另一方面可以通過基因組重排系統，實現快速進化，得到在醫藥、能源、環境、農業、工業等領域有重要應用潛力的菌株。”
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圖1：精確控制基因組重排原理示意圖
“為了能夠精準調控合成型酵母基因組重排過程，我們為細胞設計了一把‘與門鎖’，打開這把‘鎖’要用兩把‘鑰匙’，只有在兩把‘鑰匙’同時轉動的狀態下，細胞內的基因組重排才會開啟。”賈斌告訴記者，這兩把“鑰匙”是指添加到菌株培養基中的兩種物質——半乳糖和雌激素。“在半乳糖和雌激素的作用下，合成型酵母產生一種重組酶，使整個染色體上的重組單元隨機發生缺失、倒位、重復、易位。細胞因染色體結構的重排導致細胞從基因組成、轉錄到表達均發生改變，產生多樣的變種酵母，進而大大加速細胞的進化速度。”通過使用這一精準控制技術對合成型酵母基因組進行多輪迭代重排，酵母種類多樣性得到極大豐富，研究人員從中篩選出大量高產β-胡蘿卜素的菌株，并成功驗證了表達高產β-胡蘿卜素性狀的基因組合。實驗表明，經過5輪迭代基因組重排，合成型酵母菌中β-胡蘿卜素產量提升了38.8倍。上述成果刊發在《精確控制合成型單倍體和二倍體酵母基因組重排》一文中。
“通過建立適當的篩選目標和方法，可以快速篩選出接近目標性狀的菌株；通過進一步的深度測序和長片段測序技術可以快速分析并挖掘新的基因靶點。多輪迭代基因組重排技術可以大幅加速生產菌株的快速進化，解析基因組結構變異與功能發現之間的關系，提升能源醫藥化學品的生產合成，對于工業菌株進化和功能知識發現具有重要意義。”吳毅說到。
在上述研究基礎上，研究人員還首次將合成型酵母基因組的重排系統拓展到雜合二倍體和跨物種二倍體菌株。相關成果刊發在《雜合二倍體與跨物種基因組重排技術》一文中。
圖2:雜合二倍體與跨物種基因組重排技術原理示意圖
據了解，作為實驗對象的釀酒酵母，分為人工合成基因組的合成型酵母和未經基因組合成的野生型酵母。酵母細胞的生活周期中依據染色體數量不同分為單倍體和二倍體兩種狀態，可以在不同階段發生有絲分裂和減數分裂。
研究人員通過酵母交配的方式，將合成型酵母與野生型酵母相結合，用基因組重排系統驅動雜合二倍體和跨物種二倍體的基因組重排。吳毅介紹到，“我們將合成型單倍體酵母與25株釀酒酵母和27株奇藝酵母單倍體進行交配，獲得多達100株菌的雜合二倍體和跨物種二倍體菌株庫。研究結果表明，在二倍體中開啟基因組重排系統比在單倍體中有更高的存活率，基因組結構變異種類也顯著提升。”
不僅如此，研究人員還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度溫度下生長加快的菌株和咖啡因耐受性明顯增強的菌株。“雜合二倍體與跨物種基因組重排技術的開發有助于加速工業微生物的性狀改良。與此同時，基因組重排對于挖掘新的生物學知識也具有重要意義。”吳毅介紹說。
以上兩種基因組重排技術還都是在酵母細胞內部實現的，但科研工作者的探索腳步仍不止于此。他們嘗試脫離細胞，在體外實現DNA重排，開發出一種用于構建結構變異文庫的體外DNA重排方法。成果刊發在《體外DNA重排》一文中。
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圖2:雜合二倍體與跨物種基因組重排技術原理示意圖
據了解，作為實驗對象的釀酒酵母，分為人工合成基因組的合成型酵母和未經基因組合成的野生型酵母。酵母細胞的生活周期中依據染色體數量不同分為單倍體和二倍體兩種狀態，可以在不同階段發生有絲分裂和減數分裂。
研究人員通過酵母交配的方式，將合成型酵母與野生型酵母相結合，用基因組重排系統驅動雜合二倍體和跨物種二倍體的基因組重排。吳毅介紹到，“我們將合成型單倍體酵母與25株釀酒酵母和27株奇藝酵母單倍體進行交配，獲得多達100株菌的雜合二倍體和跨物種二倍體菌株庫。研究結果表明，在二倍體中開啟基因組重排系統比在單倍體中有更高的存活率，基因組結構變異種類也顯著提升。”
不僅如此，研究人員還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度溫度下生長加快的菌株和咖啡因耐受性明顯增強的菌株。“雜合二倍體與跨物種基因組重排技術的開發有助于加速工業微生物的性狀改良。與此同時，基因組重排對于挖掘新的生物學知識也具有重要意義。”吳毅介紹說。
以上兩種基因組重排技術還都是在酵母細胞內部實現的，但科研工作者的探索腳步仍不止于此。他們嘗試脫離細胞，在體外實現DNA重排，開發出一種用于構建結構變異文庫的體外DNA重排方法。成果刊發在《體外DNA重排》一文中。
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圖3:體外DNA重排技術原理示意圖
“我們構建了一套DNA體外反應體系，產生了含有基因刪除、反轉和復制的結構變異文庫，并且使用測序技術表征了結構變異文庫的多樣性。該體外DNA重排技術提供了一種獨特且高效的構建DNA文庫方法，有助于開展便捷的表型和結構變異基因型關聯分析，對結構變異的基礎研究與代謝通路的工程優化具有重要意義。”吳毅介紹到，該項成果有望在DNA文庫構建和細胞代謝工程等領域得到廣泛應用。
英國帝國理工大學的研究者們也與天津大學合成生物學團隊開展深度合作，利用天津大學合成型5號染色體的酵母菌進行基因組重排，實現底盤細胞的快速進化，顯著提升了酵母紫色桿菌素合成能力和五碳糖代謝利用能力。這一結果也同時證實了合成酵母基因組的重要性和可塑性。
據悉，合成生物學（Synthetic Biology）是繼“DNA雙螺旋發現”和“人類基因組測序計劃”之后，以基因組設計合成為標志的第三次生物技術革命。酵母基因組合成計劃（Sc2.0計劃）是合成基因組學（Synthetic genomics）研究的標志性國際合作項目。該項目由美國科學院院士杰夫·伯克發起，有美國、中國、英國、法國、澳大利亞、新加坡等多國研究機構參與并分工協作，致力于設計和化學再造完整的釀酒酵母基因組。天津大學元英進教授是該計劃的國際化推動者及中國最早參與者。此前，元英進教授牽頭負責的“酵母長染色體的精準定制合成”研究成果入選2017年度中國科學十大進展。