单染色体酿酒酵母的工程化构建和新功能研究

Recently, we have created a functional single-chromosome yeast SY14 and a single circular chromosome yeast SY15 which apparently has not been found in nature from a Saccharomyces cerevisiae haploid cell containing sixteen linear chromosomes. These studies demonstrate an approach to exploration of eukaryote evolution with respect to chromosome structure and function, and also provide new resources for studying fundamental concepts in chromosome biology, including replication and segregation. In this project, we attempt to replace the complicated telomeres of the single-chromosome yeast with prokaryotic phage's simplified telomeres and replace the point centromere of SY14 with higher eukaryotes' regional centromeres, following the concept of “engineering” in synthetic biology. We will further explore whether the engineered strains still have telomere-associated cell senescence and can “regional centromeres” maintain accurate replication and distribution of larger chromosomes. Finally, the molecular mechanisms involved in the new functions will be analyzed by multiplex analysis of the constructed engineering strains such as transcriptome, phenome and chromosomal three-dimensional structures.

前期我们从天然含有16条染色体的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)单倍体细胞出发，创建了有功能的单条线型染色体的酵母菌SY14和自然界中尚未发现的单个环型染色体的酵母菌SY15，该研究不仅为探索高等生物进化和染色体结构和功能的关系提供了新的途径，也为研究染色体生物学的基本概念提供了新的材料，包括染色体的复制和分离。在本项目中，我们将沿用合成生物学“工程学”的理念，尝试将单染色体酿酒酵母复杂的端粒改造成原核噬菌体简约化的端粒、将SY14上唯一的“点着丝粒”改造成类似高等真核生物中的“区域着丝粒”。我们还将进一步探索改造后的工程菌株是否还存在端粒相关的细胞衰老以及“区域着丝粒”是否能维持较大的染色体精确的复制和分配。最后通过对构建的工程菌株进行转录组、表型组、三维基因组等多重分析来解析新功能相关的分子机制。

人工创建新型生命体是合成生物学重大目标之一，对理解生命起源和进化、医学和生物制造具有巨大的应用潜力，已成为新一轮国际生命科学技术研究的前沿焦点和必争之地。近年来，美国科学家率先取得突破，从头合成了原核支原体基因组，英国科学家合成了密码子简约化的细菌染色体。我国虽然起步较晚，但也实现了从头合成酵母功能性染色体、人工创建单染色体真核细胞等重大突破。在本项目的支持下，申请人在前期创建的单染色体真核细胞的基础上进一步创建了端粒异源简约化的单染色体酵母细胞，打破了原核生物通常采用固定长度的简约端粒，真核生物采用长度变化的复杂端粒的自然界限。申请人还创建了含“串联重复着丝粒”的单染色体酵母细胞，为研究DNA序列和着丝粒功能的关系提供了新的研究材料。以上进展将为探索染色体结构与进化和细胞功能的关系提供新的见解。

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