Cell Genomics特刊：人工合成酵母兴起

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人工合成酵母基因组计划(Sc2.0)是一个全球性的联盟，致力于从零开始开发第一个合成真核生物基因组。该项目的最终目标是组装一个完全合成的酵母生物，并促进真核生物的合成生物学和工程学研究。这将为设计更复杂的合成多细胞生物铺平道路，并为将来设计和实现完全合成的基因组提供方法工具包。

Cell Press细胞出版社很荣幸地展示 Sc2.0 联盟在细胞基因组学领域的最新研究成果。这篇论文展示了酿酒酵母“调试”合成染色体的设计和优化。在一组专门研究单个合成染色体的论文中，Sc2.0联盟描述了关于非整倍体、染色体外DNA调控、染色体融合和酵母基因组生物学领域许多其他方面的新发现。该系列的亮点包括构建含有七条合成染色体的酵母菌株，其功能与野生型酵母菌相似，将所有tRNA基因重新定位到完全合成的tRNA新染色体上的菌株，以及最大酵母染色体的重新设计和三维结构基因组表征。

我们希望您喜欢本期Cell Genomics特刊。

聚焦于Sc2.0酵母联盟的全球合作

合成酵母基因组计划(Sc2.0)是一个国际合作项目，旨在创建和优化每个酿酒酵母染色体的合成版本，最终目标是组装具有设计特征的酵母生物，促进合成生物学和工程学项目的应用。该联盟的研究小组是全球性的，在这里，我们重点介绍了中国Sc2.0研究人员的工作以及他们对Sc2.0和合成生物学未来的看法。

合成生物学的未来

戴俊彪教授

中国农业科学院深圳农业基因组研究所

在不久的将来，我认为合成生物学最令人兴奋的发展将是在不同生物体中完全合成设计染色体，从芽殖酵母开始，就像在这本合集中发表的那样。更重要的是，将所有16条合成染色体结合到一个酵母细胞中，产生一个包含整个合成基因组的菌株，不仅将是合成基因组学的一个里程碑，而且还将为解剖真核生物中许多有趣的生物学问题打开大门，这在进化和疾病生物学中很重要。此外，令人兴奋的是，多细胞生物基因组的设计和合成正在进行中，这可能为促进我们对复杂生物系统的理解提供更好的基础。国际合作绝对是我们小组工作的关键。在Sc2.0中，我们作为一个大家庭一起朝着项目目标努力。

sc2.0的广泛影响

杨焕明教授

中国科学院大学、北京协和医学院及华大基因研究院

我认为Sc2.0是基因组学和合成生物学的一个里程碑。这是第一个由人类重新设计并完全合成的单细胞核生物基因组，其基因组大小约为Craig Venter博士团队合成的最小细菌细胞Synthia的10倍。它为我们对其他基因组大小高达10倍的多细胞生物的计划奠定了基础，例如秀丽隐杆线虫，果蝇或拟南芥等，这些生物目前正处于重新设计阶段。

沟通是关键

Isak S. Pretorius教授

麦考瑞大学

伟大的发现和技术进步总是需要许多聪明人的合作。我们对科学基础的理解、突破和创新很少是一个人努力的结果。在构思Sc2.0时，我们采用了一种被称为“承诺协作”的方法。这需要本着相互信任的精神交换意见。双方合作的共同主题始终是相互信任和有效沟通。无论研究人员是独立工作还是作为一个团队，都需要有效的沟通网络来激励和通知所有各方。在过去的10年里，这种伙伴关系变得更加紧密。这也意味着我们要互相照顾，互相帮助，这样我们才能实现我们共同的目标。

全球研究网络

蔡毅之教授

曼彻斯特大学

我们与来自中国、澳大利亚、新加坡、英国和美国的团队合作完成了这个雄心勃勃的sc2.0项目，这在刚开始时似乎是一个不可能完成的任务。这与其说是距离的问题，更多的是关于对不同研究文化的理解，这使得协调像这样的大型项目变得具有挑战性。幸运的是，我在中国长大，在英国和美国接受教育，这种国际背景使我能够有效地与我的中国合作者和其他国际合作者沟通。Sc2.0联盟有年度会议和频繁的Zoom会议，这对促进沟通非常有用。

中国的合成生物学

沈玥教授

深圳合成生物学创新研究院

Sc2.0的实施促进了中国在人才和技术方面的基础建设，特别是在DNA合成、大DNA构建和基因组设计等领域。它将为潜在的工业应用铺平道路，例如正在进行的重新编码谷氨棒状杆菌基因组的工作，以及探索更大、更复杂的多细胞系统。对于联合体来说，最大的挑战是有效地协调和管理项目目标和里程碑，以便在规定的时间内由不同的小组实现。

全球团队的好处

Matthew Chang教授

新加坡国立大学

我们与Sc2.0合作者的伙伴关系促进了我们获得最先进的技术和资源，这些技术和资源与新加坡国立大学Biofoundry（合成生物自动化设施）非常吻合。这种合作使我们能够加快我们的研究项目，并以更高的效率达到里程碑。我们的Sc2.0合作者带来的全球视野开阔了我们自己的视野，促使我们思考超越我们研究环境的直接限制。这种跨文化的思想交流培养了创造力，并加深了对我们所面临的科学挑战的理解。通过与Sc2.0合作伙伴的联系，我们扩大了我们的专业网络，并加强了我们在科学界的地位。

酵母生物技术

元英进教授

天津大学

工程酵母是高价值化合物生物合成的重要生产平台。通过Sc2.0项目，可以开发出前所未有的底盘细胞，增强生物合成能力。此外，Sc2.0在DNA组装技术方面取得的进步，使外源基因的整合能够更大规模、更高效、更快速地进行。我们对合成酵母基因组的巨大意义的共同认识推动了Sc2.0的开始和发展。这一努力推动了我们个人研究项目的进步，并在合成基因组学和生物学方面取得了实质性进展。

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人工合成酵母的兴起：为新应用绘制课程

微生物长期以来为我们提供了重要的能力，微生物的基因组工程极大地促进了生物技术的研究和应用。随着合成生物学的出现和最近控制微生物行为的基因组工程的进展，这一点显得尤为正确和重要。一个完全合成的、合理设计的基因组为前所未有的细胞功能控制提供了机会。作为一种重要的用来科学研究和工业生产的真核生物，酵母是合成生物学的前沿生物;由Sc2.0联盟提供的工具和工程细胞平台正在开启一个定制生物学的新时代。本期重点介绍了该联盟取得的最新进展，但在更广泛地最大限度地发挥工程真核细胞的影响方面仍然存在障碍。

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通过Sc2.0 7号染色体构建和合成二体酵母的基因组重排来解析非整倍体表型

非整倍性损害了基因组的稳定性，常常导致胚胎无法存活，并且经常与肿瘤发生和衰老有关。不同的非整倍体染色体化学计量学导致不同的转录组学和表型变化，有助于在严格控制的遗传背景下研究非整倍体。通过将重组的SCRaMbLE (synthetic chromosome rearrangement and modification By loxP-mediated evolution)系统应用于新合成的megase Sc2.0染色体VII (synVII)，我们构建了一个合成的二体酵母，并筛选了数百个具有不同染色体重排的SCRaMbLE衍生物。表型鉴定和多组学分析表明，与非整倍体相关的适应度缺陷可以通过(1)去除大部分染色体内容物或(2)修饰重复染色体的特定区域来恢复。这些研究结果表明，染色体拷贝数和特定染色体区域对非整倍体相关表型都有影响，合成染色体资源为研究非整倍体开辟了新的范式。

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人工合成酵母11号染色体的设计为环状染色体DNA动力学研究提供了平台

我们描述了合成酵母11号染色体（synXI）的构建过程，并揭示了在非编码DNA元件处重新设计的影响。在基于CRISPR的方法被应用于错配发现、重新设计和染色体修复过程之前，660 kb的合成酵母基因组计划（Sc2.0）染色体是由合成的DNA片段组装而成的。修复缺陷可能是着丝粒功能差和线粒体功能异常的结果，并与非编码区的修饰有关。作为Sc2.0设计的一部分，用于Cre介导的重组loxPsym序列被插入到大多数基因之间。通过从11号染色体使用GAP1基因座，我们表明，这些位点可以促进诱导染色体外环状DNA（eccDNA）的形成，从而允许直接研究这些重要分子的影响和传播。synXI的构建和鉴定有助于我们对非编码DNA元件的理解，并为eccDNA研究提供了有用的工具，而这将为未来的合成基因组设计提供有用信息。

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利用合成染色体及其改组重置建立染色体水平的设计-建构-测试-学习循环

染色体水平的设计-构建-测试-学习循环(chrDBTLs)能轻松实现染色体的系统改组重置。在这里，我们用重新设计的合成酿酒酵母染色体XV（synXV）建立起chrDBTL。我们设计并构建了synXV，用以在整个染色体中包含战略性插入的特征，修饰的元素和同义重新编码的基因。基于重新编码的染色体，我们开发了一种方法来启动chrDBTL: CRISPR-CAS9介导的有丝分裂重组与内重复(CRIMiRE)。CRIMiRE允许创建定制的野生型/合成型组合，促进基因型-表型适配和合成染色体的重新设计。我们还利用synXV作为“建构-学习”的模式生物，通过核糖体分析进行翻译研究。我们对synXV和野生型染色体的核糖体进行了位点间比较，从而深入了解密码子变化和重新设计的特征对体内翻译动力学的影响。总的来说，我们建立了synXV作为一个通用的可重构系统，并促进了chrDBTL对生物学机制和工程化菌株的理解。

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合成染色体融合:对有丝分裂和减数分裂基因组结构和功能的影响

我们设计并合成了synI，它比天然的chrI短21.6%，是酿酒酵母中最小的染色体。由于担心潜在的不稳定性和核型失衡，SynI被设计成附着在另一条合成染色体上，现在它附着在synIII上，产生了第一个合成酵母融合染色体。构建另外的融合染色体来研究细胞核功能。ChrIII-I 和 chrIX-III-I融合染色体具有扭曲结构，这依赖于沉默蛋白Sir3。作为一条较小的染色体，chrI在确保减数分裂交叉互换和有效的同源分离方面也面临着特殊挑战。融合染色体中的着丝粒缺失揭示了核心着丝粒和周围着丝粒在调节交叉促进蛋白Red1沉积方面的相反作用。这些效应延伸超过100 kb，并促进不成比例的Red1富集，从而在像chrI这样的小染色体上产生交叉的可能。这些发现揭示了合成基因组学在揭示新生物学和反卷积复杂生物系统方面的潜力。

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Cell Press Multi-Journal Submission的前身Cell Press Community Review模式于2021年推出。对于通过Cell Press Multi-Journal Submission“多刊审稿”模式投稿的作者，我们将提供稿件被至多6本期刊同时考虑的机会。超过80%通过Cell Press Multi-Journal Submission“多刊审稿”模式投稿的文章获得了至少一个或多个期刊的评审。

CellPress细胞出版社

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