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我校學者首次提出“空間位置效應”概念

核心提示: 2021年10月1日,Trends in Biotechnology在線發表了華中農業大學農業微生物學國家重點實驗室、湖北洪山實驗室何進教授研究團隊的研究成果,研究首次提出“空間位置效應”的概念,開闢了合成生物學一個新發展方向。

南湖新聞網訊(通訊員 李舟、陽鶴、王逸飛)2021年10月1日,Trends in Biotechnology在線發表了華中農業大學農業微生物學國家重點實驗室、湖北洪山實驗室何進教授研究團隊的觀點型論文“The spatial position effect: synthetic biology enters the era of 3D genomics”(空間位置效應:合成生物學邁向了三維基因組時代),該研究首次提出“空間位置效應”的概念,開闢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,也意味着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。

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”。

何進教授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”產生的原因着手,提出了利用3D基因組學的研究技術,如3C(chromosome conformation capture)及其衍生技術和超高分辨率顯微成像技術(super-resolution fluorescence microscopy imaging technologies)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(direction of the chromosome arrangement)、染色體相互作用結構域特點(chromosomal interaction domains,CIDs)、與染色體結構保持蛋白(structural maintenance of chromosome,SMC)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(圖)。

圖 從“位置效應”到“空間位置效應”

圖 從“位置效應”到“空間位置效應”

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。

我校生物工程博士後流動站李舟博士為該論文的第一作者,何進教授為論文的通訊作者;碩士研究生陽鶴、王逸飛及台灣中興大學教授/我校兼職教授週三和為論文的共同作者。本研究得到了中國國家自然科學基金的資助。

值得一提的是,該研究成果發表正值建校123週年來臨之際,文章在致謝部分寫道:“謹以此文獻給華中農業大學123週年校慶”(This report is dedicated to the 123th anniversary of the Huazhong Agricultural University),以此表達對學校的祝福。

論文鏈接//www.cell.com/trends/biotechnology/fulltext/S0167-7799(21)00196-7

審核人:何進 

責任編輯:匡敏