深圳高等研究院开发了一种高效的人工基因组简化策略
近日，中科院深圳高研所研究员戴俊彪开发了一种高效的人工基因组简化策略，称为SGC(Scramble-based genome comparison)，并通过这种方法删除了12号染色体左臂上超过一半的不必要基因，为构建第一个最小真核基因组、了解真核生命的核心成分奠定了理论和技术基础。相关的研究结果发表在《基因组生物学》上，标题为“比较合成酵母染色体臂”。深圳高等研究院副研究员、罗、英国曼彻斯特大学教授为论文合著者，深圳高等研究院研究助理罗、余康为论文合著者。
最小真核基因组的构建是基因组学的一个重要课题，被称为该领域的圣杯。通过简化基因组，去除冗余基因，可以为理解生命的起源和进化提供重要线索，有助于加深对基因组功能组成和运行模式的理解。2016年，J. Craig Venter的团队构建了最小原核基因组。面对更加复杂的真核基因组，如何构建其最小基因组是合成基因组学领域的一个具有挑战性的问题。
Sc2.0是世界上第一个真核基因组合成项目，已经成功构建了6条染色体。与野生型基因组相比，合成酵母基因组的一个特点是大量的序列特异性重组位点loxPsym系统地插入到酵母基因组中，使得合成基因组在表达Cre重组酶时经历了倒位、缺失、重复、易位等各种重排(SCRaMbLE系统)，使得构建最小的酵母基因组成为可能。研究团队对此进行了深入研究，最终实现了真核合成染色体的高效简化。
SCRaMbLE产生的基因组重排是随机的，删除是其中一种形式。为了保证加扰后的基因组被删除，研究人员通过选择合适的插入位点，将选择性标记- URA3基因插入合成染色体。通过药物对基因的反筛选作用，富集了基因片段缺失的菌株。另外，由SCRaMbLE介导的缺失以两个loxPsym位点之间的序列为基本单位。因此，如果两个loxPsym位点之间存在必需基因，则片段中的其他非必需基因不能被删除。如何覆盖这些非必需基因，实现无偏删除？
在这方面，研究人员使用酿酒酵母同源重组技术，以eArray的形式为酵母细胞提供额外的必需基因拷贝。在eArray的存在下，SCRaMbLE的缺失能力提高了3倍左右，甚至可以一次删除合成序列中超过1/3的基因。为了一步一步简化基因组直到最小化，研究人员建立了合成基因组的连续删除过程。经过三次连续缺失，合成序列中65个非必需基因中的39个最终被删除，左臂长度缩短了近100 kbp(原来的总长度为170 kbp)。
通过一系列研究，研究人员开发了基于必需基因阵列的合成染色体迭代缺失技术，这是一种通用、高效的合成酵母基因组简化工具，将为第一个真核最小基因组的构建奠定技术基础。据了解，该研究是Sc3.0国际合作项目的试点项目之一，该项目由曼彻斯特大学、纽约大学、深圳高等研究院联合发起，GP-write中国中心支持，旨在构建第一个真核最小基因组。这项国际合作倡议最近发表在《基因组生物学》上。
图1。SGC(基于加扰的基因组压缩)基因组简化方法
图2。SGC介导的基因组缺失