在過(guò)去20年合成基因組學(xué)的發(fā)展中，簡(jiǎn)單生物體如病毒、支原體、大腸桿菌和酵母等的基因組已部分或全部實(shí)現了人工設計合成1。受限于先驗生物學(xué)知識和合成生物學(xué)相關(guān)技術(shù)的限制，如何將合成基因組學(xué)從單細胞生物推進(jìn)到多細胞生物，仍是尚待解決的巨大難題。近期，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院客座研究員戴俊彪課題組與北京大學(xué)研究員焦雨鈴課題組，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員錢(qián)文峰課題組和中國科學(xué)院大學(xué)研究員汪穎課題組合作完成了小立碗蘚18號染色體部分序列的人工設計與合成，邁出多細胞生物合成基因組的第一步2。
小立碗蘚是水生植物向陸生植物轉變的過(guò)渡物種，具有結構簡(jiǎn)單、生長(cháng)周期短、同源重組能力強等特點(diǎn)，因此是重要的模式植物。小立碗蘚的基因組大小約為480Mb，其中轉座子相關(guān)元件占基因組一半以上，其功能未知?；谛×⑼胩\的特性及基因組結構，對其進(jìn)行全基因組范圍的重設計和合成的可行性較高，同時(shí)也能回答一系列植物基因組進(jìn)化相關(guān)的生物學(xué)問(wèn)題，并為此后其他植物基因組的合成打下堅實(shí)基礎。
2024年6月3日，戴俊彪課題組和錢(qián)文峰課題組在Nature Plants雜志上發(fā)表了名為“Designing a synthetic moss genome using GenoDesigner”的Perspective文章，提出了小立碗蘚基因組合成計劃（SynMoss)，并詳細闡述了小立碗蘚合成基因組的設計原則。同時(shí)，該研究開(kāi)發(fā)了名為“GenoDesigner”的在線(xiàn)基因組編輯工具，用以實(shí)現基因組級別的大范圍序列編輯和重設計，并利用該軟件設計完成了首個(gè)版本的SynMoss基因組。
文章上線(xiàn)截圖
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01693-0
該研究首先提出了小立碗蘚合成基因組的三個(gè)總體原則：1）該項目的目標是用人工合成序列構建完整的染色體，而非在原有基因組上直接修改；2）合成型基因組必須能夠支持小立碗蘚植株的存活；3）合成型的染色體需要為后續的應用及生物學(xué)研究提供基礎。
結合以往合成基因組學(xué)研究的經(jīng)驗和小立碗蘚自身基因組的特性，該研究提出了5條具體的基因組設計規則：1）去除所有轉座子序列；2）保留每個(gè)基因上、下游3 Kb、2 Kb作為啟動(dòng)子和終止子區域，刪除剩余的基因間區；3）針對每個(gè)基因設計一對PCRmark，用于區分野生型和合成型序列；4）將全部的終止密碼子替換為T(mén)AA；5）在每個(gè)基因后插入LoxPsym序列，植入用于加速基因組進(jìn)化的基因組重排系統（SCRaMbLE）。
為了加速基因組的設計，減少人為錯誤并增進(jìn)研究團隊間的協(xié)作，該研究開(kāi)發(fā)了名為“GenoDesigner”的基因組電腦輔助設計軟件。該軟件可對Gb級別的基因組進(jìn)行可視化展示，能通過(guò)圖形化界面進(jìn)行基因組的刪除、插入、替換等基礎操作，同時(shí)還可以通過(guò)統一原則對全基因組進(jìn)行批量編輯，提高了基因組設計的效率和靈活性。該軟件不僅可用于小立碗蘚基因組的設計，同時(shí)也為其他合成型基因組的設計提供了方便的工具。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士生俞文斐、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所博士生張碩為論文的共同第一作者。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院客座研究員戴俊彪、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員錢(qián)文峰與中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院高級工程師黃小羅為該論文的共同通訊作者。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員馬英新課題組和研究員趙喬課題組、北京大學(xué)研究員焦雨鈴課題組、中國科學(xué)院大學(xué)研究員汪穎課題組、深圳大學(xué)研究員莫蓓莘課題組、中國農業(yè)科學(xué)院深圳農業(yè)基因組研究所研究員閆建斌課題組為SynMoss計劃的共同發(fā)起者，為本研究提供了相關(guān)幫助和支持。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項、中國農業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng )新工程、深圳市杰出人才培養基金等項目的支持。
1 Venter, J. C., Glass, J. I., Hutchison, C. A. & Vashee, S. Synthetic chromosomes, genomes, viruses, and cells. Cell 185, 2708-2724, doi:10.1016/j.cell.2022.06.046 (2022).
2 Chen, L.-G. et al. A designer synthetic chromosome fragment functions in moss. Nature Plants, doi:10.1038/s41477-023-01595-7 (2024).