我國科學(xué)家在環(huán)形染色體重排研究方面取得突破進(jìn)展

近日，《自然·通訊》（Nature Communications）雜志在線發(fā)表了我國科學(xué)家的研究論文 “Ring Synthetic Chromosome V SCRaMbLE”，證實(shí)了人工合成環(huán)形染色體在基因型和表型上的連續(xù)進(jìn)化能力，顯示與天然線性染色體相比，人工環(huán)形染色體具有更復(fù)雜的重排變化規(guī)律。該研究是在國家科技計劃支持基礎(chǔ)上，由天津大學(xué)元英進(jìn)牽頭的團(tuán)隊取得最新突破性進(jìn)展。

染色體結(jié)構(gòu)變異對生物表型多樣性具有重要的影響。該研究以含有環(huán)形5號染色體的單倍體釀酒酵母菌株為模型，利用合成型酵母染色體特有SCRaMbLE系統(tǒng)研究基因組結(jié)構(gòu)變異和進(jìn)化，揭示了環(huán)形染色體可以連續(xù)產(chǎn)生復(fù)雜的基因組變異和表型優(yōu)化。

（PDV）的生物合成途徑作為基因組重排的篩選標(biāo)記，通過誘導(dǎo)環(huán)形染色體的基因組重排獲得了非整倍體酵母菌株，PDV產(chǎn)量提升約7倍，并且檢測到1、3、6、12、13和環(huán)形5號染色體的非整倍體加倍。

與線性染色體的結(jié)構(gòu)變異相比，環(huán)形染色體發(fā)生基因組重排后產(chǎn)生了更多的結(jié)構(gòu)變異，包括DNA片段的重復(fù)、插入、易位和反轉(zhuǎn)。該研究檢測到29種非天然存在的新型結(jié)構(gòu)變異，其中有11種和PDV的生物合成提升相關(guān)聯(lián)；同時，發(fā)現(xiàn)未表征基因YER182W的缺失與PDV的產(chǎn)量提升有關(guān)（見下圖）。

本研究基于前期人工構(gòu)建的釀酒酵母環(huán)形染色體，利用SCRaMbLE重排進(jìn)化系統(tǒng)開展環(huán)形染色體結(jié)構(gòu)變異與功能分析研究，證實(shí)環(huán)形染色體的結(jié)構(gòu)變異可以改變?nèi)旧w數(shù)目、結(jié)構(gòu)和組織形式以推動基因組的進(jìn)化。他們建立的DNA基因型與生物表型關(guān)系的研究新模型，有望用于染色體重排、微生物細(xì)胞工廠性能提升、生命快速進(jìn)化和人類染色體異常疾病等研究。