中國科學家發表Nature主刊文章！SMRT測序技術助力單染色體酵母研究

2018年8月2日，中國科學家團隊於Nature雜誌發表合成生物學重要研究成果——Creating a functional single chromosome yeast。該文匯聚了來自中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所的趙國屏團隊、覃重軍團隊、薛小莉團隊，以及中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所周金秋團隊，武漢菲沙基因信息有限公司，軍事醫學研究院生物工程研究所趙志虎研究員的共同努力，首次以人工方式合成單染色體釀酒酵母。這項合成生物學的研究，在真核生物進化方面，為探索染色體結構和功能鋪平了新的道路。

趙國屏 院士

覃重軍 研究員

真核生物的基因組通常含有多個染色體。今天向大家推薦的文章，則利用具有16個線性染色體的單倍體釀酒酵母細胞，根據末端與末端相連的方式，合成了具有功能的單染色體酵母。在融合了16個線性的染色體後，單染色體酵母細胞，其染色體整體的三維結構發生了顯著的變化，引起了著絲粒丟失，並且喪失了大多數端粒相關的染色體間相互作用，以及67.4%的染色體內相互作用。然而，單染色體的酵母細胞和野生型酵母細胞具有幾乎相同的轉錄組，並且具有類似的表型特徵。巨大的單染色體能夠支持酵母細胞的生命活動，但在不同的環境中生長，面對競爭時的生長，配子生產和生存能力方面，則表現出了適應性的不足。

圖1：構建單染色體酵母的方案

在這篇文章中，SMRT長讀長測序技術也依然發揮了重要的作用。作者構建了20kb的SMRT-bell文庫，利用了武漢菲沙基因信息有限公司的PacBio Sequel平台，成功獲得了SY14以及BY4742兩株酵母的高質量連續的基因組測序結果。運用長讀長的單分子測序技術，對成功融合了16個染色體的酵母菌株SY14及其親代株BY4742進行了完整的全基因組測序，分別達到了320X（BY4742），以及426 X（SY14）的測序深度。同時在組裝完成的基因組序列中，實現了無N序列。分別組裝得到了單染色體SY14對應的1個contig，以及16條染色體BY4742對應的16個contig。對於基因組rDNA區域中，存在著大量的重複序列，作者運用長讀長的SMRT測序技術進行的測序組裝。相較於已經報道的S228C參考基因組，作者所組裝得到的結果，具有更長的重複序列區域。這也進一步說明了PacBio SMRT測序技術在處理重複序列區域時具有極強的優勢。

圖2：將16條染色體的BY4742（右）和單染色體的SY14（左）的完整基因組序列進行比較，顯示出良好的共線性，證實染色體的排序和方向與設計一致。

在接下來的實驗中，作者還運用了Hi-C等技術，對單染色體的酵母基因組進行了更為全面的研究。結合單染色體酵母的功能變化，發現單染色體SY14細胞的轉錄組幾乎與親本BY4742細胞的轉錄組相同，但卻在功能上出現了更深層次的變化。

武漢菲沙基因信息有限公司

PacBio服務團隊

原文信息：

Creating a functional single chromosome yeast.Nature.2018

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