天津大學合成生物學元英進教授團隊首次實現對人造環形染色體的...

本站訊（記者 趙習鈞）2018年9月17日，在最新一期上線的國際學術期刊《自然·通訊》上刊載了一篇名為《環形5號染色體基因組重排》的論文。文章公布了天津大學元英進教授團隊首次將自主設計合成的5號釀酒酵母環狀染色體進行基因組重排的相關研究成果，為探索環形染色體結構變異和功能提供了新的研究思路和模型。

染色體結構變異對生物性狀多樣性具有重要影響。我們常見的真核生物染色體一般都是成線性的棒狀結構，而人類的某些染色體發生變異後會出現「成環」的現象。染色體的環化與癌症、癲癇、智力發育遲緩、白血病等多種疾病的發生密切相關。目前對環形染色體結構變異及所產生表型的認知相對匱乏。元英進教授團隊以此前人工合成的釀酒酵母環形5號染色體為研究對象，利用SCRaMbLE基因組重排系統對其進行基因組重排，發現環形染色體不同於線性染色體的多種結構性變化。

圖1.環形V號染色體重排產生基因型和表型多樣性

研究人員選擇了抗癌活性化合物——紫色桿菌素前體物（PDV）作為目標性狀，通過多輪基因組重排來探究染色體結構變異對細胞功能的影響。研究發現，環形染色體基因組重排過程中會連續產生複雜的基因組結構變異和表型優化。環形染色體的重排後，發現了1、3、6、12、13和環形5號染色體的數目加倍，形成染色體非整倍體酵母菌株。重排使染色體自身產生更多的非對稱性結構變異，包括DNA片段的重複和片段插入；經過5次連續誘導重排後，所獲得環形染色體的長度比原始染色體增加了一倍以上。

圖2.紫色桿菌素前體物產量連續提升和結構變異連續發生

環形染色體重排過程檢測到更多的非天然新型結構變異。環形5號染色體在經過第一輪誘導重排後檢測到29種非天然存在的新型結構變異，在兩輪連續誘導重排後增加到47個；多輪實驗後共計檢測到53種新型結構變異。將第一輪重排染色體中檢測到的29個結構變異分別導入細胞中，在其中11種當中篩選得到了PDV合成產量提升的菌株。同時發現，未表徵基因YER182W的缺失與PDV的產量提升具有相關性。

研究表明，環形染色體在基因組重排過程中通過修改染色體數目和結構可以持續產生染色體結構變異和細胞表型增強，進而推動基因組的進化，為理解DNA基因型與生物表型關係提供了有效的研究模型。

圖3.重排環形V號染色體內部相互關聯

相關研究成果於9月17日在線發表於《自然-通訊》雜誌（Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-06216-y）。天津大學化工學院的碩士研究生王娟和謝澤雄副教授為該文章的共同第一作者，元英進教授為通訊作者。該研究獲得了國家自然科學基金（21621004、21750001）和國家重點基礎研究發展計劃（「973」計劃：2014CB745100）等基金的大力支持。