近日，Nature Communications杂志在线发表题为“Large-scale genomic rearrangements boost SCRaMbLE in Saccharomyces cerevisiae”的研究论文，通过CRISPR系统在酵母全基因组范围内引入数十个loxPsym位点，构建了可进行全染色体重排的酵母系统，为研究基因组结构变异对菌株环境适应性及在进化上的影响奠定了基础，良平生物CTO李天一博士为论文的共同第一作者。
图源Nature Communications
基因组重排是驱动生物进化的重要力量。基因组重排包括缺失、重复、插入、倒位和易位等多种形式，可通过改变基因拷贝数、扰动蛋白质编码序列以及顺式调控网络来实现。SCRaMbLE系统的植入是酵母基因组合成计划（Sc2.0）中的一个重要设计1，这一系统可以有效地构造酵母合成基因组重排，已被应用于条件性耐受菌株开发、天然产物生产和基因组精简等多个研究领域2。然而由于目前含有全部合成染色体的酵母尚未构建成功，因此还不能实现在全基因组范围内的SCRaMbLE重排。
为了利用SCRaMbLE系统搭建具有全基因组重排能力的酵母，加速菌株进化，中国科学院深圳先进技术研究院戴俊彪团队，利用CRISPR系统在酵母全基因组范围内引入近百个loxPsym位点，并对构建的菌株系统进行了诱导重排和适应性进化的研究。研究发现大片段的结构变异能够引起基因转录水平和基因组3D结构的变化，进而产生对压力环境更耐受的表型；进一步研究发现，与包含合成型染色体菌株杂交后，引入众多loxPsym位点后的杂合二倍体菌株在高浓度乙酸条件下表现出更快的适应性进化速度。
大规模重排促进酵母SCRaMblE，加速菌株进化 | 图源良平刘若璇
在该工作中，研究人员首先利用CRISPR/Cas9系统在酿酒酵母的16条染色体上分散的插入了83个loxPsym位点，其中每条染色体至少包含2个位点。然后以构建的菌株SparLox83R为对象，诱导其进行重排，并在多种药物压力条件下筛选获得了耐受性增强的菌株。随后，研究人员对一株具有微管解聚药物耐受增强的菌株进行了测序以及转录组和空间三维基因组（Hi-C）分析，解析了四号染色体、九号染色体和十四号染色体的结构变异与耐药性的相关机制。
LoxPsym介导的酵母四号染色体和十四号染色体的结构变异 | 图源Nature Communications
进而，为了探究分散排列的loxPsym位点介导的大片段重排是否可以提高合成型染色体的定向进化速度，研究人员将SparLox83R与含有合成型染色体的菌株杂交并诱导SCRaMbLE。测序发现，SparLox83R中分散排列的loxPsym位点可以与合成型染色体上的loxPsym位点一起产生多种类型的重排，不仅包括来自于合成型染色体和SparLox83R被编辑染色体的结构变异，同时也会产生高频率的杂合性缺失和非整倍体现象。
二倍体菌株诱导重排导致基因组不稳定 | 图源Nature Communications
为证实这些多种多样的重排能够为菌株进化提供驱动力，研究人员比较了两种不同的杂合二倍体菌株：SparLox83R和合成型三号染色体菌株杂交形成的二倍体（JDY544）以及野生型单倍体菌株和合成型三号染色体菌株杂交形成的二倍体（JDY546）在乙酸胁迫下的进化速度。通过对48个独立群体进行诱导重排以及乙酸平板上生长检测，发现经过三轮的进化，JDY544的48个群体都可以在高浓度的乙酸条件下（0.7%）生长，而JDY546仅有几个群体可以在该条件下生长。这一结果说明，与JDY546相比，来自于JDY544的群体能够更快的产生对乙酸耐受的菌株，暗示了SparLox83R中分散排列的loxPsym位点介导的重排可能与乙酸耐受性的快速增强有关。
多样的重排加速菌株进化 | 图源Nature Communications
本研究成功构建了一个包含83个分布在16条染色体上的loxPsym位点的工程酵母菌株，并以此为研究对象，通过对SCRaMbLE之后所得菌株进行高通量测序及染色体结构分析，证明了带有全基因组分布loxPsym位点的酵母菌株可以作为研究基因组重排的有力工具，并且能够驱动菌株快速进化，获得环境胁迫耐受性。该研究提供的方法也为将SCRaMbLE系统应用到其他工程菌株或物种中提供思路，从而极大地拓展了SCRaMbLE系统的应用范围。
此外，在Nature Communications早先发表的中国科学院深圳先进技术研究院戴俊彪团队和赵乔团队的另一篇研究论文"Building a eukaryotic chromosome arm by de novo design and synthesis"中，我司员工也参与了重要工作。
图源Nature Communications
世界上首个真核生物基因组合成计划—酿酒酵母基因组合成计划（Sc2.0）经过17年的不懈努力，近期完成了所有酵母染色体的人工合成。在Sc2.0中，通过对重复序列的删减预计可实现约8%的酵母基因组的精简。为了进一步探索酵母基因组序列的必需性和可塑性，戴俊彪研究员联合曼彻斯特大学蔡毅之教授和纽约大学Jef Boeke教授发起了Sc3.0计划3，旨在对酵母基因组进行深度精简和重构设计，构建首个最小酵母基因组，探究真核生命的核心元素。
对支持酿酒酵母存活的最小染色体臂的研究 | 图源良平刘若璇
在本项工作中，研究人员通过自下而上的设计策略指导酿酒酵母12号染色体左臂（chrXIIL）的深度精简和优化。研究发现仅需20%的天然序列即可支持菌株存活（10个必需基因和2个非必须基因），约45%的天然序列足以恢复菌株的稳健表型（10个必需基因和15个非必须基因）；并进而利用显著区别于天然序列的合成型序列构建了可替代内源chrXIIL来支持酵母存活的功能性人工染色体。
这是戴俊彪团队继2021年利用Sc2.0合成染色体中引入的重排系统（SCRaMbLE）建立基于非理性随机删减的基因组精简策略后4，取得的Sc3.0计划的又一重要进展，我司员工余康在两项工作中均有参与，并承担了重要工作。
参考文献：
1. Dymond, J. S. et al. Synthetic chromosome arms function in yeast and generate phenotypic diversity by design. Nature 477, 471–476 (2011).
2. Steensels, J., Gorkovskiy, A. & Verstrepen, K. J. SCRaMbLEing to understand and exploit structural variation in genomes. Nat. Commun. 9, 9–11 (2018).
3. Dai, J., Boeke, J.D., Luo, Z., Jiang, S. & Cai, Y. Sc3.0: revamping and minimizing the yeast genome. Genome Biology 21, 205 (2020).
4. Luo, Z. et al. Compacting a synthetic yeast chromosome arm. Genome Biol 22, 5 (2021).
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