DNA是生命的蓝图，其所构成的基因组是生物遗传信息的载体。合成基因组学是一个新兴的研究领域，它将基于合成生物学的思路大规模从头人工设计和合成DNA序列，致力于认识自然、改造生命、治疗疾病和延缓衰老，最终造福全人类。这一领域的进步推动了病毒基因组、细菌基因组和真核生物染色体的构建。酵母基因组合成计划（Sc2.0计划）是合成基因组学研究的标志性国际合作项目，由美国科学院院士Jef D. Boeke发起，英国曼彻斯特大学蔡毅之教授协调，美国、中国、英国、法国、澳大利亚、新加坡等多国顶尖研究机构通力协作，试图重新设计并合成酵母的全部16条染色体（长约12Mb，1Mb是百万碱基对）。酵母作为第一个被全基因组测序的真核生物，对其基因组的大尺度设计和重建是对目前基因组领域知识贮备的真实性、完整性和准确性的一个直接考验。

       2023年11月8日，由纽约大学医学院、英国曼彻斯特大学、深圳先进技术研究院、华大研究院、日本东京工业大学、英国帝国理工学院、澳大利亚麦考瑞大学、新加坡国立大学等机构为主的国际团队密切合作，同时上线10篇研究论文（2篇Cell，1篇Molecular Cell，7篇Cell Genomics），共同宣布完成了酵母全部16条染色体和一条特殊设计的tRNA全新染色体的设计与合成。该系列成果标志着Sc2.0的一座里程碑，更是合成基因组学领域的关键一步。

一、Cell: 修复并合并多条人工合成酵母染色体

       Jef D. Boeke课题组在Cell发表了题为Debugging and consolidating multiple synthetic chromosomes reveals combinatorial genetic interactions的研究论文（第一作者赵毓）。作者利用内源性复制杂交技术(endoreduplication intercross)技术成功将7条全长合成染色体合并到同一细胞中。相对于野生型原始序列，这一真核酵母细胞中已经有超过一半的基因组为人工设计并合成，其中包含了6000多个合成型染色体独有的特征位点，凸显了从零开始、从无到有设计合成型人造基因组的强大优势。与此同时，作者创新性的开发出了一种基于CRISPR的精准缺陷扫描定位和修复方法，通过这一技术，作者发现了一种意想不到的染色体之间的相互作用，对细胞正常代谢起关键性调节作用。最后，作者提出了第二代染色体跨细胞转移替换技术（chromosome substitution），大大加速了合并剩余合成型染色体到单个细胞中的过程。相信世界上第一个100%人工合成的真核生物基因组将在不远的将来诞生。

二、Cell: 酵母中tRNA新染色体的从头设计、构建和功能表征

       与此同时，英国曼彻斯特大学的蔡毅之课题组在Cell发表了题为Design, construction, and functional characterization of a tRNA neochromosome in yeast的研究论文。他们报道了tRNA新染色体的设计、构建和表征，这是一种真核生物体内从零开始人工设计的全新染色体（neochromosome）。作为Sc2.0项目的核心设计之一，这条190 kb的tRNA全新染色体容纳了所有275个重新定位的核tRNA基因。为了最大限度地提高其稳定性，设计融入了来自其他真核生物物种的遗传元件。此外，283个rox重组位点的存在使tRNA随机重组（SCRaMbLE）系统成为可能。此外，作者还进一步通过tRNA测序、转录组学、蛋白质组学、核小体图谱、复制谱、FISH和Hi-C等技术揭示了tRNA新染色体的行为和功能。它的构建证明了酵母模型的可追溯性，并为揭示相关非编码RNA提供了方法。该系统为系统地探索tRNA遗传学，以及tRNA和染色体相互作用提供了一个全新技术平台。

三、Molecular Cell: 人工合成迄今为止最长真核生物染色体，并定义其三维空间结构

       Jef D. Boeke，中国科学院深圳先进技术研究院戴俊彪，东京工业大学Yasunori Aizawa课题组合作（第一作者张维民）在Molecular Cell发表长文Manipulating the 3D organization of the largest synthetic yeast chromosome，报道人工合成迄今为止最长真核生物（酵母）染色体，并通过操控其三维空间结构实现对整条合成染色体的转录抑制。作者首先通过对前人方法的改进，大大提高了合成145万碱基对染色体的效率和灵活性。并通过重置着丝粒和锚定合成型染色体到内核膜两种方式操控该合成染色体的空间结构，实现了对其三维空间结构的人工定义。

四、Cell Genomics以封面文章专题报道了七条全长人工设计染色体的合成

       华大研究院的沈玥等和曼彻斯特大学蔡毅之教授组等在发表了文章Dissecting aneuploidy phenotypes by constructing Sc2.0 chromosome VII and SCRaMbLEing synthetic disomic yeast，报道了七号染色体的从头设计合成，并用于非整倍体的相关研究。该研究首先完成了酿酒酵母7号染色体的从头设计合成，并进一步构建了携带合成型7号染色体的非整倍体疾病模型。不同于以往研究中基于野生型染色体的非整倍体酵母模型，本项目中额外多携带的一条染色体为合成型，其基因组中包含大量的重组酶识别位点loxPsym，使该条染色体具备可诱导发生基因组重排的能力，从而快速产生遗传多样性，为下游的科学与应用研究提供大量的样本空间。该研究一方面为非整倍体的研究提供了新的策略，可短时间内快速获得大量核型和表型各异的非整倍体菌株，为后续相关的研究提供大量的研究材料；同时该模型或有望应用于非整倍体疾病的致病靶点和相关药物的筛选。

       同时，纽约大学Jef D. Boeke团队发表了文章Synthetic chromosome fusion: effects on mitotic and meiotic genome structure and function；Context-dependent neocentromere activity in synthetic yeast chromosome VIII；Consequences of a telomerase-related fitness defect and chromosome substitution technology in yeastsynIX strains，分别报道了一号染色体、八号染色体和九号染色体的全合成。作者首先完成了一号染色体的全合成，随后利用染色体融合技术（chromosome fusion）将一号和三号染色体连接成一条全新的染色体。在八号染色体中，作者成功利用CRISPR把着丝粒定向转移到了染色体上的不同区域，成功提高了基因组的稳定性。在九号染色体中，作者首先发现了一个和染色体端粒稳定性息息相关的基因缺陷（EST3），随后进一步阐释了染色体跨细胞转移替换技术（chromosome substitution）的具体机理，并将其应用于合成型染色体的合并与构建之中。

       英国帝国理工学院Tom Ellis团队发表了文章Synthetic yeast chromosome XI design provides a testbed for studying extrachromosomal circular DNA，完成了十一号染色体的全合成，并揭示了非编码DNA的重新设计如何影响细胞生长。作者构建了一系列CRISPR工具，用于加快合成型染色体的基因缺陷修复。同时，作者利用该染色体上的GAP1位点，制造出了染色体外环状DNA（extrachromosomal circular DNA），这种基因片段和癌症特别是一些最严重的恶性肿瘤密切相关。

       澳大利亚麦考瑞大学Isak Pretorius和Ian T. Paulsen团队合作发表了文章Parallel laboratory evolution and rational debugging reveal genomic plasticity to Saccharomyces cerevisiae synthetic chromosome XIV defects and rearrangements，共同完成了十四号染色体的全合成。作者利用酵母全基因组重组（SCRaMbLE）和定向进化技术，在四倍体细胞中研究人工修饰对真核生物染色体稳定性所带来的影响。

       新加坡国立大学Matthew Wook Chang和中国科学院深圳先进技术研究院戴俊彪课题组合作发表了文章Establishing Chromosomal Design-Build-Test-Learn through Combinatorial Reconfiguration of a Synthetic Chromosome，完成了十五号染色体的全合成。该研究建立了一种以合成生物学原则为基础的染色体设计-构建-测试-学习流程。通过对合成染色体进行组合重组，研究人员能够系统地探索不同的设计变体，并评估这些变体对细胞功能和稳定性的影响。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.09.025

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.10.015

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.10.015

https://doi.org/10.1016/j.xgen.2023.100364

https://doi.org/10.1016/j.xgen.2023.100439

https://doi.org/10.1016/j.xgen.2023.100437

https://doi.org/10.1016/j.xgen.2023.100435

https://doi.org/10.1016/j.xgen.2023.100379

参考文献

1.Cell:“Syn6.5” Yu Zhao et al., Cell. Debugging and consolidating multiple synthetic chromosomes reveals combinatorial genetic interactions

2.tRNA Neo Daniel Schindler, Tom Walker et al. Cell. Design, construction, and functional characterization of a tRNA neochromosome in yeast

3.Molecular Cell: Syn4 Weimin Zhang et al. Mol Cell. Manipulating the 3D organization of the largest synthetic yeast chromosome

4.Cell Genomics: Syn1 Jingchuan Luo et al. Cell Genomics.Synthetic chromosome fusion: effects on mitotic and meiotic genome structure and function

5.Syn7 Yue Shen et al. Cell Genomics. Dissecting aneuploidy phenotypes by constructing Sc2.0 chromosome VII and SCRaMbLEing synthetic disomic yeast

6.Syn8 Stephanie Lauer et al. Cell Genomics. Context-dependent neocentromere activity in synthetic yeast chromosome VIII

7.Syn9 Laura McCulloch, Vijayan Sambavisan et al. Cell Genomics. Consequences of a telomerase-related fitness defect and chromosome substitution technology in yeast synIX strains

8.Syn11 Ben Blount et al. Cell Genomics. Synthetic yeast chromosome XI design provides a testbed for studying extrachromosomal circular DNA

9.Syn14 Tom Williams et al Cell Genomics. Parallel laboratory evolution and rational debugging reveal genomic plasticity to Saccharomyces cerevisiae synthetic chromosome XIV defects and rearrangements 

10.Syn15 Foo et al. Cell Genomics. Establishing Chromosomal Design-Build-Test-Learn through Combinatorial Reconfiguration of a Synthetic Chromosome