Nature Communications | 構(gòu)建全基因組SCRaMbLE重排酵母,加速菌株快速進(jìn)化
基因組重排是驅(qū)動生物進(jìn)化的重要力量,也是導(dǎo)致多種疾病如癌癥等復(fù)雜性疾病的關(guān)鍵因素。基因組重排包括缺失、重復(fù)、插入、倒位和易位等多種形式,可通過改變基因拷貝數(shù)、擾動蛋白質(zhì)編碼序列以及順式調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。前人研究表明,基因組重排普遍存在于從原核生物到人類的所有生命系統(tǒng)中,同時相較于堿基突變而言,基因組重排導(dǎo)致物種進(jìn)化的速度高出好幾個數(shù)量級。SCRaMbLE系統(tǒng)的植入是酵母基因組合成計劃(Sc2.0)中的一個重要設(shè)計1,且已經(jīng)被證實為一種有效造成酵母合成基因組組重排的方法,被應(yīng)用于條件性耐受菌株開發(fā)、天然產(chǎn)物生產(chǎn)和基因組精簡等多個研究領(lǐng)域2。然而由于目前含有全部合成染色體的酵母尚未構(gòu)建成功,因此還不能實現(xiàn)在全基因組范圍內(nèi)的SCRaMbLE重排。此外,前期研究表明,以包含單條或多條合成型染色體的菌株進(jìn)行SCRaMbLE重排時,單條染色體內(nèi)的重排事件和多條染色體間的重排事件存在較大差異3,4,然而目前并沒有一個研究染色體間重排的好的模型。
2024年1月26日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院戴俊彪團(tuán)隊在Nature Communications在線發(fā)表題為Large-scale genomic rearrangements boost SCRaMbLE in Saccharomyces cerevisiae的研究論文,通過CRISPR系統(tǒng)在酵母全基因組范圍內(nèi)引入數(shù)十個loxPsym位點,構(gòu)建了可進(jìn)行全染色體重排的酵母系統(tǒng),為研究基因組結(jié)構(gòu)變異對菌株環(huán)境適應(yīng)性及在進(jìn)化上的影響奠定了基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)大片段的結(jié)構(gòu)變異能夠引起基因轉(zhuǎn)錄水平和基因組3D結(jié)構(gòu)的變化,進(jìn)而產(chǎn)生對壓力環(huán)境更耐受的表型;進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),與包含合成型染色體菌株雜交后,引入眾多loxPsym位點后的雜合二倍體菌株在乙酸條件下表現(xiàn)出比只包含合成型染色體的二倍體菌株更快的適應(yīng)性進(jìn)化速度。
在該工作中,研究人員首先利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)在釀酒酵母的16條染色體上分散的插入了83個loxPsym位點,其中每條染色體至少包含2個位點。他們將這個工程菌株命名為SparLox83,并確認(rèn)了83個loxPsym位點的插入不影響菌株的生長和基因組穩(wěn)定性。
為了提高對重排菌株的篩選效率,隨后研究人員在SparLox83菌株中引入了之前報道的重排菌株篩選系統(tǒng)——ReSCuES系統(tǒng)5,獲得了工程菌株SparLox83R。同時,由于SparLox83R中每兩個loxPsym位點之間一定存在必需基因,刪除將會導(dǎo)致菌株致死,因此研究人員將SparLox83R和野生型菌株BY4742進(jìn)行雜交,形成雜合二倍體。SparLox83R及其與野生型的雜合二倍體在五輪SCRaMbLE后,研究人員發(fā)現(xiàn)單倍體細(xì)胞的重排率(約30%)顯著高于雜合二倍體(約3%),而且在兩種基因型的混合細(xì)胞中,染色體間重排事件都多于染色體內(nèi)的重排事件,這一結(jié)果不同于之前以合成型染色體為SCRaMbLE對象的研究。同時,研究人員發(fā)現(xiàn)不同的loxPsym位點之間重排頻率差異較大,通過對變化的定量分析,最終發(fā)現(xiàn)了兩個位點之間的距離以及染色質(zhì)開放性等因素對重排頻率的影響。
大片段重排可以驅(qū)動表型多樣化和環(huán)境適應(yīng)性,但在自然進(jìn)化的菌株中,要區(qū)分大片段重排與其他類型突變對適應(yīng)性的影響仍然具有挑戰(zhàn)性。研究人員以SparLox83R為對象,誘導(dǎo)其進(jìn)行重排,并在多種藥物壓力條件下篩選獲得了耐受性增強(qiáng)的菌株。隨后,研究人員對一株具有微管解聚藥物耐受增強(qiáng)的菌株進(jìn)行了測序以及轉(zhuǎn)錄組和空間三維基因組(Hi-C)分析,解析了四號染色體、九號染色體和十四號染色體的結(jié)構(gòu)變異與耐藥性的相關(guān)機(jī)制。
進(jìn)而,為了探究分散排列的loxPsym位點介導(dǎo)的大片段重排是否可以提高合成型染色體的定向進(jìn)化速度,研究人員將SparLox83R與含有合成型染色體的菌株雜交并誘導(dǎo)SCRaMbLE。測序發(fā)現(xiàn),SparLox83R中分散排列的loxPsym位點可以與合成型染色體上的loxPsym位點一起產(chǎn)生多種類型的重排,不僅包括來自于合成型染色體和SparLox83R的結(jié)構(gòu)變異,同時也會產(chǎn)生高頻率的雜合性缺失和非整倍體現(xiàn)象。
為證實這些多種多樣的重排能夠為菌株進(jìn)化提供驅(qū)動力,研究人員比較了兩種不同的雜合二倍體菌株:SparLox83R和合成型三號染色體菌株雜交形成的二倍體(JDY544)以及野生型單倍體菌株和合成型三號染色體菌株雜交形成的二倍體(JDY546)在乙酸脅迫下的進(jìn)化速度。通過對48個獨立群體進(jìn)行誘導(dǎo)重排以及乙酸平板上生長檢測,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過三輪的進(jìn)化,JDY544的48個群體都可以在高濃度的乙酸條件下(0.7%)生長,而JDY546僅有幾個群體可以在該條件下生長。這一結(jié)果說明,與JDY546相比,來自于JDY544的群體能夠更快的產(chǎn)生對乙酸耐受的菌株,暗示了SparLox83R中分散排列的loxPsym位點介導(dǎo)的重排可能與乙酸耐受性的快速增強(qiáng)有關(guān)。
綜上所述,本研究成功構(gòu)建了一個包含83個分布在16條染色體上的loxPsym位點的工程酵母菌株,并以此為研究對象,通過對SCRaMbLE之后所得菌株進(jìn)行高通量測序及染色體結(jié)構(gòu)分析,證明了帶有全基因組分布loxPsym位點的酵母菌株可以作為研究基因組重排的有力工具,并且能夠驅(qū)動菌株快速進(jìn)化,獲得環(huán)境脅迫耐受性。該研究提供的方法也為將SCRaMbLE系統(tǒng)應(yīng)用到其他工程菌株或物種中提供思路,從而極大地拓展了SCRaMbLE系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院助理研究員程莉、博士生趙世俊、博士后李天一和已畢業(yè)博士侯莎為論文共同第一作者。戴俊彪研究員為論文通訊作者。該研究獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、中國科學(xué)院大科學(xué)計劃、深圳市科技計劃、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新計劃項目及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等多個項目的支持。
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