Cell reports封面文章 | 串聯(lián)重復(fù)的真核核糖體DNA的深度精簡(jiǎn)與重塑
合成基因組學(xué)可以通過(guò)對(duì)基因組的設(shè)計(jì)與合成,合理引入自然界不存在的人造法則,從而創(chuàng)建出可調(diào)控的人工合成生命體。近年來(lái),人們已經(jīng)具備對(duì)病毒、細(xì)菌基因組的設(shè)計(jì)與合成的能力,并已經(jīng)成功構(gòu)建了最小原核生物基因組。同樣地,真核生物基因組的合成也取得一系列進(jìn)展,首個(gè)真核生物基因組合成計(jì)劃 (Sc2.0計(jì)劃),已經(jīng)完成了所有酵母染色體的合成。為探索酵母基因組的核心功能,戴俊彪研究員(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所/中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院)、蔡毅之教授(曼徹斯特大學(xué))和Jef Boeke教授(紐約大學(xué))聯(lián)合發(fā)起Sc3.0計(jì)劃,旨在對(duì)酵母基因組進(jìn)行深度精簡(jiǎn)和重構(gòu)設(shè)計(jì),構(gòu)建首個(gè)最小酵母基因組。酵母基因之間存在的復(fù)雜相互作用網(wǎng)絡(luò),給酵母基因組的精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。戴俊彪團(tuán)隊(duì)在染色體臂范圍內(nèi)建立了兩類針對(duì)非重復(fù)序列的高效精簡(jiǎn)策略:1)基于Sc2.0合成染色體中引入的重排系統(tǒng)(SCRaMbLE)的非理性隨機(jī)刪減策略, 2)基于理性設(shè)計(jì)原則的自下而上的逐步增加核心基因的合成策略。
然而,酵母基因組中還存在大量重復(fù)序列。其中一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域是編碼rRNA的區(qū)域,簡(jiǎn)稱rDNA區(qū)。rRNA是核糖體的核心組成成分,為了滿足蛋白質(zhì)翻譯對(duì)于rRNA的需求,真核細(xì)胞中通常含有成百上千拷貝的rRNA編碼基因,形成高度重復(fù)的rDNA區(qū)。真核生物中rDNA區(qū)域通常以串聯(lián)重復(fù)排列的陣列形式存在。例如,釀酒酵母基因組中存在由近150個(gè)拷貝的重復(fù)串聯(lián)而成的單個(gè)rDNA陣列,而人的基因組中rDNA單元在不同染色體上形成多個(gè)串聯(lián)重復(fù)的陣列。rDNA區(qū)域高度重復(fù)的排列形式和高轉(zhuǎn)錄活性使其成為基因組中最不穩(wěn)定的區(qū)域,這些特性給rDNA的操縱和研究帶來(lái)了很大阻礙。如何實(shí)現(xiàn)高度重復(fù)、動(dòng)態(tài)變化的 rDNA 區(qū)域的深度精簡(jiǎn),降低生物負(fù)荷,是構(gòu)建最小真核基因組的進(jìn)程中必須解答的重要命題。
2月6日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院戴俊彪團(tuán)隊(duì)和曼徹斯特大學(xué)蔡毅之團(tuán)隊(duì)在Cell reports在線發(fā)表High plasticity of ribosomal DNA organization in budding yeast的研究論文,并被選為本期封面文章。該研究開(kāi)發(fā)了高效的重復(fù)陣列構(gòu)建方法CAT,并將人工重排系統(tǒng)引入串聯(lián)重復(fù)的rDNA陣列中,成功實(shí)現(xiàn)了rDNA區(qū)域的深度精簡(jiǎn),發(fā)現(xiàn)8個(gè)拷貝的rDNA序列即可維持菌株生存;同時(shí),首次構(gòu)建了包含三個(gè)陣列的酵母模型,探索了rDNA陣列數(shù)目的影響。本研究揭示了酵母rDNA區(qū)域組織形式的高度可塑性,是戴俊彪團(tuán)隊(duì)近期取得的Sc3.0計(jì)劃的又一重要成果。
為了將人工控制系統(tǒng)引入rDNA區(qū)域,研究人員開(kāi)發(fā)了一種高效的陣列構(gòu)建方法CAT,能夠在基因組任意位置快速構(gòu)建具有定制序列的合成型rDNA陣列。利用該方法,研究人員成功地在3號(hào)(短染色體)或15號(hào)(長(zhǎng)染色體)染色體上構(gòu)建了異位rDNA陣列。隨后,利用合成型rDNA陣列中的引入的loxPsym序列和誘導(dǎo)表達(dá)的Cre重組酶,成功實(shí)現(xiàn)了3號(hào)染色體上短rDNA陣列的深度精簡(jiǎn),發(fā)現(xiàn)8個(gè)拷貝的rDNA單元即可支持釀酒酵母的生存。
高等生物基因組中通常含有多個(gè)rDNA陣列,分布在不同染色體上。為了模擬高等生物rDNA的組織形式,探究rDNA陣列數(shù)目的影響,研究人員結(jié)合CAT與減數(shù)分裂,成功構(gòu)建了多個(gè)兩陣列菌株和三陣列菌株。結(jié)果顯示,額外引入的rDNA陣列雖然顯著改變了基因組3D構(gòu)象,但對(duì)單核仁結(jié)構(gòu)的形成、菌株的正常生長(zhǎng)和基因組表達(dá)水平?jīng)]有顯著的破壞性影響,充分顯示了酵母基因組對(duì)于rDNA陣列組織形式的包容性。
綜上所述,該研究實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)重復(fù)的rDNA陣列的高效定制合成,并引入人工重排系統(tǒng),成功將單倍體酵母菌株中rDNA拷貝數(shù)精簡(jiǎn)至約8個(gè)拷貝,是目前研究發(fā)現(xiàn)的可支持生存的最低rDNA拷貝數(shù);同時(shí),該研究構(gòu)建了多rDNA陣列的酵母模型,解析了額外rDNA陣列的影響,揭示了酵母細(xì)胞對(duì)多陣列組織形式的包容性。本研究利用合成基因組學(xué)理念,對(duì)于高度重復(fù)的rDNA陣列進(jìn)行了深度精簡(jiǎn)和合成重塑,不僅拓展了現(xiàn)有理論認(rèn)知,為后續(xù)最小酵母基因組和穩(wěn)健的簡(jiǎn)化酵母底盤(pán)的構(gòu)建奠定理論基礎(chǔ),也為后續(xù)rDNA的調(diào)控解析提供了重要的研究工具。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員姜雙英、研究助理蔡澤霖、深圳華大生命科學(xué)研究院副研究員王云和先進(jìn)院研究助理曾誠(chéng)為論文共同第一作者。戴俊彪研究員、姜雙英副研究員與蔡毅之教授為論文通訊作者。該研究獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省合成基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃、深圳市杰出人才培養(yǎng)基金、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)牛頓高級(jí)學(xué)者基金等多個(gè)項(xiàng)目的支持。
封面:引入人工控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)rDNA陣列精簡(jiǎn)
總略圖:合成型rDNA陣列的構(gòu)建與精簡(jiǎn)(左);多陣列酵母模型的構(gòu)建與解析(右)
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