3篇Cell／MC重磅：人造酵母基因组最新进展

　　合成基因组能否为生命提供动力已经引起了合成生物学领域的广泛关注。

　　2023年11月8日，美国纽约大学Jef D.Boeke、中国科学院深圳先进技术研究院戴俊彪、日本东京工业大学Yasunori Aizawa共同通讯在Molecular Cell在线发表题为“Manipulating the 3D organization of the largest synthetic yeast chromosome”的研究论文，该研究报道了迄今为止最大的真核生物染色体synIV的从头合成，synIV是一条1,454,621 bp的酵母染色体，由广泛的基因组精简和修饰产生。

　　该研究开发了结合分层整合策略的巨块组装，显著提高了合成染色体构建的准确性和灵活性。除了剧烈的序列变化，进一步操纵synIV的三维结构来探索空间基因调控。令人惊讶的是，研究发现很少有基因表达变化，这表明酵母核质内的定位在基因调控中起次要作用。最后，作者将synIV通过其数百个loxPsym位点连接到核膜上，并观察到整个染色体的转录抑制，证明了在不改变DNA序列的情况下进行全染色体转录操作。该研究对synIV空间结构的操纵揭示了合成基因组的高阶建筑设计。

　　另外，2023年11月8日，美国纽约大学Jef D.Boeke团队在Cell在线发表题为“Debugging and consolidating multiple synthetic chromosomes reveals combinatorial genetic interactions”的研究论文，该研究描述了使用先进的内重复与tRNA表达盒杂交来整合多个合成染色体，以产生具有6.5条合成染色体的菌株。使用Hi-C和长读长直接RNA测序评估3D染色体组织和转录本亚型谱。作者开发了CRISPR定向双等位基因URA3辅助基因组扫描，或“CRISPR D-BUGS”，以绘制由特定设计者修饰（称为“错误”）引起的表型变异。首先对合成染色体II（synII）中的一个错误进行了精细定位，然后发现了与synIII和synX相关的组合相互作用，揭示了一种意想不到的遗传相互作用，该相互作用将转录调控，肌醇代谢和tRNASerCGA丰度。最后，为了加速整合，作者采用染色体替换来整合最大的染色体（synIV），从而将>50%的Sc2.0基因组整合到一个菌株中。

　　2023年11月8日，英国曼彻斯特大学的蔡毅之团队在Cell发表了题为“Design, construction,and functional characterization of a tRNA neochromosome in yeast”的研究论文，该研究报道了tRNA新染色体的设计、构建和表征，这是一种真核生物体内从零开始人工设计的全新染色体（neochromosome）。作为Sc2.0项目的核心设计之一，这条190kb的tRNA全新染色体容纳了所有275个重新定位的核tRNA基因。为了最大限度地提高其稳定性，设计融入了来自其他真核生物物种的遗传元件。此外，283个rox重组位点的存在使tRNA随机重组（SCRaMbLE）系统成为可能。此外，该研究还进一步通过tRNA测序、转录组学、蛋白质组学、核小体图谱、复制谱、FISH和Hi-C等技术揭示了tRNA新染色体的行为和功能。它的构建证明了酵母模型的可追溯性，并为揭示相关非编码RNA提供了方法。该系统为系统地探索tRNA遗传学，以及tRNA和染色体相互作用提供了一个全新技术平台。

　　酿酒酵母是第一个完成基因组测序的真核生物，这对酵母的遗传研究具有深远的促进作用。此外，合成酵母基因组计划(Sc2.0)是第一个也是最大的真核生物合成基因组。该项目旨在彻底改变酵母基因组，并评估原生酵母基因组是否可以通过去除反转录转座子和其他重复序列来重新编程，以增加基因组的稳定性，剪接系统是否可以在无内含子的酵母基因组中消除，以及当整个基因内容被随机“洗刷”时，合成酵母是否可以获得新的特性。单个合成染色体的合成已经回答了许多基本问题。然而，随着Sc2.0的完成，还有更多的开放空间。

　　在构建Sc2.0基因组的过程中，迄今为止的重点是染色体序列，而不是在活细胞中合成染色体如何在空间上组织。大量研究表明，基因组错误折叠和失调与人类疾病密切相关，表明大规模染色质3D组织的根本重要作用。彻底了解合成染色体如何在细胞核中组织是至关重要的，这样就可以更好地控制染色体范围内的基因调控。在酵母中，染色体以一种被称为Rabl取向的相对保守的结构组织-纺锤极体(SPB)位于细胞核相对于核仁的另一侧，并在整个细胞周期中连接着16个着丝粒(CEN)。

　　32个端粒聚集在一起，形成3到8个固定在核膜上的焦点。这种核组织形成不同的亚核室，影响全基因组的基因表达。例如，核孔复合物的外周结构域对应于一个“活性表达”区，而核膜(INM)上的端粒簇对应于一个抑制区。核核是矛盾的，因为它的核偶联，其中RNAP2(RNA聚合酶II)报告基因沉默，但核糖体DNA本身被RNAP1和RNAP3积极转录。然而，目前的发现仅限于靠近核膜的隔室。目前尚不清楚酵母核质是否含有多个精心构造的亚核室。

机理模式图（图源自Molecular Cell）

　　综上所述，该研究证明了超大碱基大小的真核生物染色体synIV可以用计算机设计和从头合成，并且它的三维组织可以被合成重编程，用于探测基因组组织-转录调控关系。由于合并了数百个相同的loxPsym位点，该方法为使用独特的合成染色体(如synIV)深入了解基因组动力学提供了许多染色体结构操作的可能性。该工作推动了合成真核生物染色体结构的上限，并提供了第一个合成染色体普遍通过设计采用改变的三维构象。

　　参考文献：

　　1. Zhang W,Lazar-Stefanita L,Yamashita H,et al. Manipulating the 3D organization of the largest synthetic yeast chromosome.Mol Cell.2023 Nov 2:S1097-2765(23)00852-3.doi: 10.1016/j.molcel.2023.10.015. Epub ahead of print. PMID: 37944526.

　　2.Zhao Y,Coelho C,Hughes AL, et al.Debugging and consolidating multiple synthetic chromosomes reveals combinatorial genetic interactions. Cell. 2023 Oct 20:S0092-8674(23)01079-6. doi: 10.1016/j.cell.2023.09.025.Epub ahead of print.PMID:37944511.

　　3.Schindler D,Walker RSK,Jiang S,Brooks AN,Wang Y,et al.Design, construction, and functional characterization of a tRNA neochromosome in yeast. Cell. 2023 Nov 5:S0092-8674(23)01130-3. doi: 10.1016/j.cell.2023.10.015. Epub ahead of print.PMID:37944512.