【我國科學家首次提出合成生物學空間位置效應】近日,《生物技術趨勢》在線發表了華中農業大學農業微生物學國家重點實驗室、湖北洪山實驗室教授何進研究團隊的文章http://t.cn/A6Mu44vW ,首次提出“空間位置效應”的概念,開辟了合成生物學一個新的發展方向,實現了合成生物學與三維基因組學的交叉融合,也意味著合成生物學邁向了三維基因組時代。

綠色生物製造是利用微生物細胞工廠將可再生生物質轉化為具有更高附加值的生物產品的過程。為了構建高效的微生物細胞工廠,研究者利用合成生物學與代謝工程策略,對合成基因線路進行設計與優化,並將其導入工業底盤菌株的質粒或基因組中。然而,通過質粒表達合成基因線路的底盤菌株往往存在質粒不穩定和質粒相關代謝負擔等問題。因此,將合成基因線路整合到基因組中逐漸成為優化工業底盤菌株的首選方案。

圖:從“位置效應”到“空間位置效應”。華中農業大學供圖

已有研究表明,當基因被整合到基因組中的不同位置時,其表達水平會表現出顯著差異,即存在“位置效應”。目前研究人員主要利用報告基因隨機整合的方式研究“位置效應”的規律。經過近十年的研究,逐漸發現了“位置效應”的部分規律,如整合位點與染色體複製起始位點(oriC)的距離、整合位點附近是否存在擬核相關蛋白(nucleoid-associated proteins,NAPs)結合位點以及DNA的正負超螺旋結構等。但這些研究結果存在諸多矛盾之處,其主要原因是沒能找到影響“位置效應”的真正原因,這類研究方法無異於“盲人摸象”。

何進團隊在該文章中首次提出了“空間位置效應”的概念。即從基因組的空間結構特點研究“位置效應”產生的原因著手,提出了利用3D基因組學的研究技術,如3C及其衍生技術和超高解析度顯微成像技術等,首先揭示了底盤菌株基因組的空間結構特點。

在此基礎上,再根據染色體排列方向、染色體相互作用結構域特點、與染色體結構保持蛋白結合位點的距離等,理性設計合成基因線路在底盤菌株基因組中的整合位點。通過報告基因初篩,再將合成基因線路導入優勢整合位點中進行更深入地分析和驗證,並進一步構建數學模型。這樣,通過“空間位置效應”研究策略不僅能獲得最優化的整合位點,還可以建立合成基因線路在底盤菌株中的導入原則。

文章還展望了“空間位置效應”在合成生物學中的應用方向和發展趨勢。如最優三維基因組或最小三維基因組的構建,單細胞水平3D基因組的研究,“時空位置效應”、“空間位置效應”的可視化以及“空間位置效應”與多組學的關聯分析等。http://t.cn/A6Mu44vY

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