合成基因組學透過設計與合成重塑基因組，既可以探索基因組的組織規律，也是改造基因組創造人工生命的底盤技術。 隨著人們對基因組認識的不斷深入和DNA合成技術的不斷進步，合成基因組學已成為科學探索新前沿。 非細胞生物、原核生物都已實現了全基因組的人工合成。
2023年11月，國際酵母基因組合成計劃（Sc2.0）宣佈第二階段重大進展，完成了酵母全部16條染色體和一條特殊設計的tRNA新染色體的設計與合成。然而，多細胞生物基因組龐大，表觀遺傳調控複雜，難以轉化和定向重組DNA大片段，難以再生個體，給多細胞生命的基因組合成帶來了極大的挑戰。
2024年1月26日，北京大學生命科學學院焦雨鈴課題組和中國農科院深圳農業基因組所戴俊彪課題組、中科院遺傳發育所錢文峰課題組、中國科學院大學汪穎課題組等合作在Nature Plants期刊發表了題為：A designer synthetic chromosome fragment functions in moss 的研究論文。
該研究重新設計了染色體序列，極度簡化了基因組，對內源序列進行了大幅刪減（55.8%），並加入了人工標籤。該研究進一步合成並組裝了設計序列，並在小立碗蘚體內完成了約1/3染色體臂的替換。所獲合成株系能夠正常生長，合成區域的表觀遺傳景觀也能夠正常重新建立。
模式生物小立碗蘚的再生效率高、單倍體世代佔主導，且具有較高的同源重組能力。因此，研究團隊選擇了小立碗蘚作為多細胞生物基因組合成的底盤，嘗試合成基因較少的18號染色體短臂。
圖1. 小立碗蘚18L人工合成基因組序列設計示意圖
該研究選取了小立碗蘚18號染色體上一段約155kb的序列進行合成。採用的設計策略如圖1所示。首先對基因組進行簡化，刪去重複序列，保留編碼區以及上游和下游的序列。此外，所有終止密碼子被替換成TAA，為以後密碼子擴充做鋪墊。設計還移動了部分基因的位置。在合成大片段的兩側（淺藍色部分）具有與內源序列相同的1kb同源序列，用於體內重組替換。此外，合成序列中加入了抗性基因，用於篩選。透過重新設計，155kb的基因組片段被縮減至約68kb。
對基於以上原則設計的大片段，研究團隊透過體外化學合成、大片段組裝和植物體內同源重組實現人工序列對天然序列的替換（圖2）。經過多輪組裝和轉化嘗試，該研究最終獲得了完全替換成功的合成株系semi-syn 18L。PCR檢測和重測序分析都證明了目標大片段的成功替換。對合成株系semi-syn 18L的表型觀察、抗逆性檢測表明，合成株系和野生型在各個發育階段表型類似，對高鹽和乾旱耐受性也無明顯差異。
圖2. 小立碗蘚基因組大片段合成、組裝和替換重組流程示意圖
多細胞生物具有複雜的表觀遺傳景觀，為研究合成區域的表觀遺傳景觀能否正常建立，該研究使用ChIP-seq、ATAC-seq、WGBS、Hi-C等技術分析並對比了合成型株系和野生型小立碗蘚的表觀遺傳圖譜。在合成株系中，與重複序列相關的H3K9me2標記基本丟失，整體DNA甲基化率也顯著降低。合成區域中轉錄啟用性表觀遺傳標記正常建立並略有升高，染色質開放性與基因表達也有所提高。Hi-C顯示合成株系中合成區域和周邊區域基因形成了新的染色質環，周邊區域基因的表達量也略有升高。總而言之，表觀遺傳景觀能夠在合成區域正常從頭建立，但基因組的三維組織模式出現微小變化。
圖3. a）半合成型小立碗蘚（semi-syn 18L）在合成區域中組蛋白修飾與野生型的對比。b）半合成型小立碗蘚（semi-syn 18L）在合成區域及周邊區域染色質環分佈與野生型對比。
該研究大幅刪除了內源重複序列，極度簡化了基因組，並加入了其他設計元件形成了全新的人工設計與合成的染色體序列；研究在小立碗蘚體內完成了約1/3染色體臂的人工合成與替換，為進一步開展更大範圍的合成苔蘚基因組計劃（SynMoss）奠定了技術基礎，併為多細胞生物的基因組合成鋪平了道路。
中國科學院遺傳與發育生物學研究所博士後陳連閣博士、北京大學前沿交叉學院博士研究生蘭天龍、中國科學院遺傳與發育生物學研究所博士研究生張碩以及深圳大學生命與海洋科學學院博士後趙孟楷博士為該論文的共同第一作者。北京大學生命科學學院焦雨鈴教授、中國農科院深圳農業基因組研究所戴俊彪研究員、中國科學院遺傳與發育生物學研究所錢文峰研究員以及中國科學院大學生命科學學院汪穎副教授為該論文的共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、深圳市和中國博士後科學基金等專案的支援。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41477-023-01595-7
