合成全部16条染色体！国际酵母基因组合成计划（Sc2.0）实现里程碑式突破

“合成生物学”是继“DNA双螺旋结构发现”和“人类基因组测序计划”之后，以基因组设计合成为标志的第三次生物技术革命！2011年，来自中国、美国、英国、新加坡、澳大利亚等国的超200位科学家联合启动了“酵母基因组合成计划（Sc2.0 Project）”。Sc2.0计划是合成基因组学研究的标志性国际合作项目，旨在重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体（长约12Mb，1Mb是百万碱基对）。这是人类首次尝试对真核生物的基因组进行从头设计合成。

2017年3月10日，Science重磅推出酵母合成生物特刊，共7篇研究文章。Sc2.0团队完成了人工合成酵母基因组16条染色体中的5条，其中4条基因合成任务由中国科学家完成。

现在，Sc2.0计划又迎来新的里程碑式突破，研究团队已合成酵母的全部16条染色体，包括一个全新合成的tRNA染色体，并构建了一种包含50%合成DNA的酵母菌株，其表现出活跃的增殖和正常的细胞形态、长度和形状。当地时间11月8日，相关成果分别发表在Cell（2篇）、Cell Genomics（7篇）和Molecular Cell（1篇），共 10 篇文章。

美国纽约大学合成生物学家、Sc2.0计划领导者Jef Boeke博士表示：“我们决定生产一些根据自然设计改造的产物，首要目标是构建一种可以教会我们新生物学认知的酵母。”

基于这一目标，在合成过程中，研究团队移除了大量非编码DNA和重复元件，并添加了新的DNA片段，以帮助研究人员更容易区分合成基因和天然基因。研究团队首先将每条染色体进行独立组装，构建了16个包含部分合成染色体的酵母菌株，每个菌株包含15条天然染色体和一条合成染色体。并逐渐将所有已合成染色体整合到单个酵母细胞，最终构建了一个包含7.5条合成染色体的酵母细胞，其中超过50%DNA是合成的。

01 包含超50%合成基因的酵母问世！

在发表于Cell的“Debugging and consolidating multiple synthetic chromosomes reveals combinatorial genetic interactions”文章中，研究团队利用包含tRNA表达框架（expression cassettes）的内源性复制杂交技术（endoreduplication intercross）成功将6.5条合成染色体合并到同一酵母菌株中，并使用Hi-C和长读长RNA测序评估该菌株的3D染色体和转录本亚型谱。研究团队开发了基于CRISPR的精准缺陷扫描定位和修复方法CRISPR D-BUGS，以绘制由特定设计修饰引起的表型变异，即“bug”。利用该技术，研究团队在合成染色体II（synII）中精细定位了一个缺陷，并发现了与synIII和synX间的相互作用，揭示了与转录调控、肌醇代谢和tRNASerCGA丰度之间的意外遗传相互作用。最后，为了加快剩余合成染色体整合到该菌株的过程，研究团队利用染色体替换方法将最大的合成染色体（synIV）转移成功，最终构建了包含7.5条合成染色体的酵母菌株。

研究概要图

02 从零开始人工合成的tRNA新染色体

发表于Cell的另一篇文章“Design, construction, and functional characterization of a tRNA neochromosome in yeast”中，研究团队报道了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合成的全新染色体。作为Sc2.0项目的核心设计之一，这条∼190kb的tRNA新染色体包含了所有275个迁移的核tRNA基因。为了最大限度地提高稳定性，该设计结合了来自非酿酒酵母物种的正交遗传元素。此外，283个rox重组位点的存在使正交tRNA SCRaMbLE系统成为可能。在酵母中成功构建后，表现出细胞倍性的自发加倍。此外，研究团队还通过tRNA测序、转录组学、蛋白质组学、核小体定位、复制谱、FISH和Hi-C分析了tRNA新染色体行为和功能。它的构建证明了酵母模型显著的可追溯性，并为直接揭示相关基本非编码RNA的假设提供了机会。

研究概要图

03 多条染色体的从头合成

在发表于Molecular Cell的“Manipulating the 3D organization of the largest synthetic yeast chromosome”文章中，研究团队报道了迄今为止最大的人工合成真核生物染色体synIV。synIV是一条1,454,621 bp的酵母染色体。研究团队开发了结合分级整合策略的巨型组装（megachunk assembly），显著提高了合成染色体构建的准确性和灵活性。研究团队进一步通过操纵synIV的三维结构来探索空间基因调控。令人惊讶的是，研究发现基因表达变化很少，这表明酵母核质内的定位在基因调控中起次要作用。最后，研究团队通过数百个loxPsym位点将synIV连接到内核膜，并观察到整个染色体的转录抑制，在不改变DNA序列的情况下展示了染色体范围的转录情况。

研究概要图

此外，Cell Genomics以封面和专辑形式发表了7篇研究成果，分别报道了酵母1号、7号、8号、9号、11号、14号、15号染色体的全合成及相关分析。其中，华大作为中国主要参与单位之一，在整体项目中联合合作单位承担了2号、7号、13号染色体的从头设计与全合成（300万碱基），约占项目总合成量的四分之一。同时，华大还参与构建了上述tRNA全新染色体。

扫描电镜下，包含6.5条合成染色体酵母细胞表现出活跃的增殖和正常的细胞形态、长度和形状。

Sc2.0计划研究成果开启了工程生物学的一个新时代——从编辑少数基因到从头设计和构建整个基因组。该研究的下一步是整合剩余的合成染色体，形成完整的基因组。Boeke博士表示：“现在我们距离将所有16条合成染色体整合到单个酵母细胞中已经很近了。我喜欢把这称为‘开始的结束’，而不是‘结束的开始’，因为在我们真正能够“洗牌”和生产新酵母的时候，它们可能做我们以前从未实现的事情。”

原文链接：

1.https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)01079-6

2.https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)01130-3

3.https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(23)00852-3

4.https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00274-4

5.https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00147-7

6.https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00272-0

7.https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00245-8

8.https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00244-6

9.https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00176-3

10.https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00270-7