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图1.精确控制合成型单倍体和二倍体酵母基因组重排
图2.体外DNA重排
图3.杂合二倍体与跨物种基因组重排
在国家自然科学基金项目(项目编号：21750001，21621004)等资助下，天津大学元英进教授带领的合成生物学研究团队开发了一系列原创的基因组重排技术和策略，在化学再造酵母应用领域取得重大突破。研究成果分别以“Precise control of SCRaMbLE in synthetic haploid and diploid yeast”(精准控制合成型单倍体和二倍体酵母基因组重排)，“In vitro DNA SCRaMbLE”(体外DNA重排)和“Heterozygous diploid and interspecies SCRaMbLEing”(杂合二倍体和跨物种基因组重排)为题，于2018年5月22日在Nature Communications(《自然·通讯》)上同期发表三篇研究论文。
论文链接：
遗传变异是生物进化的源泉，促使生物在亿万年间可以不断适应环境、不断进化。科学家们开发出多种遗传变异技术，通过改变物种的基因型，为研究多样的生物表型提供原料。然而先前的遗传变异技术大多只针对基因层面(SNP, Indel)进行小规模改造，在更加复杂的基因组结构变异层面(SV)的人工构建仍面临挑战。
研究团队开发了精确控制合成型单倍体和二倍体酵母基因组重排技术，通过设计“与门”开关实现对合成型酿酒酵母基因组重排过程的精准调控，结合酵母细胞生活史开发了多轮迭代基因组重排技术，经过5轮迭代重排可以使作为细胞工厂产品的胡萝卜素产量提升38.8倍。深度测序分析揭示基因组发生了大量的重复，缺失，易位和倒置(图1)。本研究可以大幅加速生产菌株的快速进化，解析基因组结构变异与功能发现之间的关系，提升能源医药化学品的生产合成。
研究团队开发了一种体外DNA重排技术，通过Cre酶与包含多loxPsym位点DNA的体外反应体系构建，产生了含有基因删除、反转和复制的结构变异文库，并且使用单分子实时测序技术表征了结构变异文库的多样性(图2)。该体外重排技术提供了一种独特且高效的构建DNA文库方法，有助于开展便捷的表型和结构变异基因型关联分析，对结构变异的基础研究与代谢通路的工程优化具有重要意义。
团队还与纽约大学Michael Shen合作开发了杂合二倍体与跨物种基因组重排技术，通过酵母交配的方式将具有灵活基因型的合成型酵母与具有多样化表型的野生型酵母相结合，使得合成型酵母基因组重排系统驱动杂合二倍体和跨物种二倍体的进化。研究人员分别通过杂合二倍体基因组重排和跨物种基因组重排，获得了可以在摄氏42度下生长加快的菌株和咖啡因耐受性明显增强的菌株，并且通过基因组测序分析定位了表型进化的结构变异靶点(图3)。该技术一方面有助于加速工业微生物的性状改良，另一方面对于挖掘新的生物学知识有重要意义。
该系列研究成果是合成酵母基因组工作的重要应用延伸和理论支撑，促进了合成基因组学和基因组重排领域的快速发展。
