Nat commun. | 天津大学元英进教授团队首次实现对人造环形染色体的基因组重排

一、成果短讯：

2018年9月17日，天津大学化工学院合成生物学元英进教授团队在国际期刊NATURE COMMUNICATIONS 发表了题为“ Ring synthetic chromosome V SCRaMbLE”的研究成果，报道了首次将自主设计合成的5号酿酒酵母环状染色体进行基因组重排的相关研究成果，为探索环形染色体结构变异和功能提供了新的研究思路和模型。

二、内容简介：

 染色体结构变异对生物性状多样性具有重要影响。我们常见的真核生物染色体一般都是成线性的棒状结构，而人类的某些染色体发生变异后会出现“成环”的现象。染色体的环化与癌症、癫痫、智力发育迟缓、白血病等多种疾病的发生密切相关。目前对环形染色体结构变异及所产生表型的认知相对匮乏。

元英进教授团队展示了一种环状合成酵母染色体V ( ring _ synV )，可以持续产生复杂的基因组变异，而且可以通过在单倍体酵母细胞中应用LoxP介导的进化( SCRaMbLE )合成染色体重组和修饰，并提高PDV的产量。ring _ synV的SCRaMbLE产生了非整倍体酵母菌株，PDV产量增加，鉴定了非整倍体染色体I、III、VI、XII、XIII和ring _ synV。SCRaMbLEd ring_synV 的染色体产生更多不平衡形式的变化，包括重复、插入和平衡形式的易位和颠倒。此外，在检测到的29种新型SVs中，11种促进了PDV生物合成；YER182W的缺失与PDV的改善有关。总的来说，SCRaMbLEing ring_synV包含了基因组的进化通过改变染色体数目、结构和组织，识别表型理解的目标。

三、实验结果：

图1 Ring_synV SCRaMbLE产生基因组和表型变异。loxPsym位点将ring _ synV (橙色圈)分成170个片段(绿色箭头)，其中基因用紫色和蓝色箭头表示。a通过同源重组将PDV生物合成途径整合到ring_synV 的YEL063C（CAN1）中，以产生最初PDV生产菌株yWJS1。b当暴露于半乳糖和雌二醇时，yWJS1的SCRaMbLE系统起作用，并且具有PDV改善多样性的SCRaMbLEd菌落被分离。c SCRaMbLEants的基因组SV分析显示染色体数目变异，CNV和新SV。d 当将新的SVs转化为初始菌株时，选择PDV产量增加的d菌落

图2 PDV生产和SVs生成的持续改进。前10位菌株PDV产量的倍数变化。b .每轮SCRaMbLE后SCRaMbLEants的和PDV产量折叠变化的表型分析。。初始应变，yWJS1; 第一个周期SCRaMbLEant，yWJS067; 第二个周期，yWJS168; 第三个周期，yWJS184; 第四个周期，yWJS249; 第五个周期，yWJS321。C显示WGS的箱形图读取覆盖深度，其通过SCRaMbLEing单倍体酵母菌株中的ring_synV指示复发的染色体非整倍体。菌株yWJS044（非整倍体染色体：I，III，ring_synV和VI），yWJS047和yWJS067通过SCRaMbLEing初始菌株yWJS1产生。菌株yWJS184（非整倍体染色体：XIII）和yWJS321（非整倍体染色体：XII和XIII）通过SCRaMbLEing yWJS067产生。覆盖深度代表从WGS结果确定的染色体CN。非整倍体染色体标记为红色，ring_synV标记为紫色。每个框中的中心线表示读取覆盖深度的中值，框的上限表示上四分位数，下限表示下四分位数，d ring_synV的CNV热图。读取基于深度的CN估计（loxPsym划分的段）由颜色指示（刻度提供在右侧）

图3 SCRaMbLEd ring_synV中的染色体内相互作用。a CIRCOS示出用于SCRaMbLEants yWJS067，yWJS184和yWJS321染色体间SV融合体，交互与表示交互作用的每一行的因素。染色体横跨圆圈绘制。b SCRaMbLEd ring_synV（yWJS067）染色体与参考对齐。SCRaMbLEd ring_synV染色体（yWJS067，底部）的颠倒，重复，缺失和易位的重排事件显示为参考ring_synV染色体的图解释（上图）

图4功能性新型SV可能与PDV产生改善相关。a原理图表示新SV可与PDV生产的改进相关联。左侧DNA区段（橙色箭头）和右侧DNA区段（蓝色）由loxPsym位点（绿色菱形）分开。通过使用设计的引物（黑色箭头）扩增DNA序列并转化到yWJS1中并与线性化的pRS413骨架质粒组装。我们通过从11个新SV中选择而不是初始菌株来分离具有虚拟较暗颜色的转化体。b与通过HPLC定量的新SV结构相关的PDV产生改善的倍数变化

四、原文学习：