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何进教授研究团队首次提出“空间位置效应”概念
发布时间:2021-10-04

2021年10月1日,Trends in Biotechnology在线发表了九莲宝灯大满贯开火车农业微生物学国家重点实验室、湖北洪山实验室何进教授研究团队的观点型论文“The spatial position effect: synthetic biology enters the era of 3D genomics”(空间位置效应:合成生物学迈向了三维基因组时代),该研究首次提出“空间位置效应”的概念,开辟了合成生物学一个新的发展方向,实现了合成生物学与三维基因组学的交叉融合,也意味着合成生物学迈向了三维基因组时代。

绿色生物制造是利用微生物细胞工厂将可再生生物质转化为具有更高附加值的生物产品的过程。为了构建高效的微生物细胞工厂,研究者利用合成生物学与代谢工程策略,对合成基因线路进行设计与优化,并将其导入工业底盘菌株的质粒或基因组中。然而,通过质粒表达合成基因线路的底盘菌株往往存在质粒不稳定和质粒相关代谢负担等问题。因此,将合成基因线路整合到基因组中逐渐成为优化工业底盘菌株的首选方案。

已有研究表明,当基因被整合到基因组中的不同位置时,其表达水平会表现出显著差异,即存在“位置效应”。目前研究人员主要利用报告基因随机整合的方式研究“位置效应”的规律。经过近十年的研究,逐渐发现了“位置效应”的部分规律,如整合位点与染色体复制起始位点(oriC)的距离、整合位点附近是否存在拟核相关蛋白(nucleoid-associated proteins,NAPs)结合位点以及DNA的正负超螺旋结构等。但这些研究结果存在诸多矛盾之处,其主要原因是没能找到影响“位置效应”的真正原因,这类研究方法无异于“盲人摸象”。

何进教授团队在该文章中首次提出了“空间位置效应”的概念。即从基因组的空间结构特点研究“位置效应”产生的原因着手,提出了利用3D基因组学的研究技术,如3C(chromosome conformation capture)及其衍生技术和超高分辨率显微成像技术(super-resolution fluorescence microscopy imaging technologies)等,首先揭示了底盘菌株基因组的空间结构特点。在此基础上,再根据染色体排列方向(direction of the chromosome arrangement)、染色体相互作用结构域特点(chromosomal interaction domains,CIDs)、与染色体结构保持蛋白(structural maintenance of chromosome,SMC)结合位点的距离等,理性设计合成基因线路在底盘菌株基因组中的整合位点。通过报告基因初筛,再将合成基因线路导入优势整合位点中进行更深入地分析和验证,并进一步构建数学模型。这样,通过“空间位置效应”研究策略不仅能获得最优化的整合位点,还可以建立合成基因线路在底盘菌株中的导入原则(图)。

图 从“位置效应”到“空间位置效应”

图 从“位置效应”到“空间位置效应”

文章还展望了“空间位置效应”在合成生物学中的应用方向和发展趋势。如最优三维基因组或最小三维基因组的构建,单细胞水平3D基因组的研究,“时空位置效应”、“空间位置效应”的可视化以及“空间位置效应”与多组学的关联分析等。

我校生物工程博士后流动站李舟博士为该论文的第一作者,何进教授为论文的通讯作者;硕士研究生阳鹤、王逸飞及台湾中兴大学教授/我校兼职教授周三和为论文的共同作者。本研究得到了中国国家自然科学基金的资助。

值得一提的是,该研究成果发表正值建校123周年来临之际,文章在致谢部分写道:“谨以此文献给九莲宝灯大满贯开火车123周年校庆”(This report is dedicated to the 123th anniversary of the Huazhong Agricultural University),以此表达对学校的祝福。

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