Science：揭示从头构建基因组的设计原则

2022年3月8日讯/生物谷BIOON/---著名物理学家Richard Feynman有一句名言：“我不能创造的东西，我就不了解。”这句话不仅为Feynman的理论物理学方法提供了参考，也很好地描述了合成生物学家的动机，因为后者有兴趣从头开始构建基因组。通过设计和构建合成基因组，他们希望能更好地理解生命的密码。合成生物学一直是围绕着将DNA序列作为具有可复制功能的“部件（parts）”这一概念来组装的。如今，在一项新的研究中，通过成功的合作和对前沿工具的使用，欧洲分子生物学实验室（EMBL）的Lars M. Steinmetz团队对基因表达的变化有了重要的认识，这种变化是由这些DNA部件在基因组中的位置或背景造成的。相关研究结果发表在2022年3月4日的Science期刊上，论文标题为“Transcriptional neighborhoods regulate transcript isoform lengths and expression levels”。

论文共同第一作者、Steinmetz团队博士后研究员Amanda Hughes在解释激励这项研究的基本问题时说道，“在合成生物学中，你倾向于将事物分解成模块化的、‘即插即用’的部件。这些部件是启动子、编码区和终止子。我们想测试这些部件是否真地是‘即插即用’，在任何情况下都以同样的方式运作，或者它们的位置是否会影响其功能。我们想更好地了解基因的线性分布如何影响其功能，并确定可用于构建基因组的一般设计原则。”

一种合成生物学工具箱提供了相关的新见解

这项研究之所以能够进行，是因为有两项关键技术：Sc2.0联盟的合成酵母菌株和长读直接RNA测序。从Sc2.0联盟获得的合成酵母菌株包括一种称为“SCRaMbLE”的设计功能，该功能提供了以以前无法实现的规模将基因重新排列到不同位置的能力。EMBL的基因组学核心设施的专业知识和工具，包括牛津纳米孔公司的GridION，使该团队能够进行长读直接RNA测序，允许识别RNA分子的起点和终点，并将其分配给特定的重排。这些前沿技术的组合使用对于在许多情况下测量基因编码的全长RNA分子至关重要。

这篇论文显示背景---特别是转录背景（transcriptional context）---改变了基因的RNA输出。通过使用长读直接RNA测序，他们能够观察到从合成酵母基因组中发生随机重排的DNA序列表达的全长RNA分子的起点、终点和数量的变化。基因的重新定位会影响其RNA输出的长度和丰度；然而，这些变化并不总是由新的相邻DNA序列来解释。似乎是发生在基因周围的转录，而不是它的序列本身，改变了它编码的RNA输出。

从这么大的随机数据集中获得一般原则并不是一件小事，因为论文共同第一作者Aaron Brooks解释说，“为了得出我们的结论，我们必须观察许多替代性遗传环境中的基因，这些基因在SCRaMbLE菌株中都存在。然而，将这些序列重新拼在一起是一项巨大的努力。我们必须产生一个大规模的测序数据集，这反过来又要求我们开发新的软件工具。我们不得不依靠复杂的机器学习算法来帮助我们理解我们所观察到的复杂模式。”根据一个基因新的上下游背景对其RNA输出进行建模，发现与周围转录模式有关的特征预测了RNA的边界和丰度。例如，如果一个基因被重新安置在一个高表达的邻居旁边，它的表达也倾向于增加。

确定构建基因组的设计原则

除了阐明RNA丰度和相邻基因表达之间的关系外，这些作者还注意到会聚的基因（两端朝向彼此的基因）的RNA末端位置之间有一种引人注目的关系。具体来说，他们发现一种RNA的长度受到邻近转录本的接近和丰度的影响。论文共同作者、Sc2.0联盟主任Jef Boeke在谈到这些见解时说，“深层转录分析与使用SCRaMbLE系统产生的基因组变化相结合，使我们对酵母基因组的灵活性有了新的认识，并指出转录本末端的规则可能令人惊讶地依赖于上下游背景。”

通过低温电镜观察到两个转录因子(黄色和红色)与包裹在核小体中的DNA结合。图片来自Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research。

最终，通过应用这些发现，这些作者能够通过控制相邻基因的转录来调整RNA分子的长度。他们证实从研究SCRaMbLEd基因组的转录组中获得的经验可以应用于设计具有所需功能的基因组。这项新的研究还提出了一种新的合成生物学设计概念，他们称之为“转录嵌入（transcriptional embedding）”，可用于可逆地标记RNA，改变其稳定性，翻译成蛋白，甚至是定位。他们认为，所有这些都可以通过控制一个基因的会聚的相邻基因的表达而不是它本身来完成。

Steinmetz说，“这项研究中使用的基因重组方法的无偏见和高通量性质使我们发现了不同基因组背景下的基因组序列的功能，这在以前是不可能实现的规模。这种方法强调了上下游背景在调节转录本末端方面的重要性---令人惊讶的是，甚至允许在基因被重排到新的位置时对转录本末端进行上下游背景依赖性的预测。最终，这项研究揭示了相邻的遗传元件之间存在着微调的相互联系的调节，跨越了多个决定转录本开始和停止的基因。预测这些相互作用的能力可以为基因组构建的关键“设计原则”---基因所处的最佳位置以及它们应该如何相对定位---提供信息。这些见解推动了通过调节相邻的基因表达来对转录本进行改造而不改变序列本身的工具。”

他们的研究增加了越来越多的设计原则，可以利用这些原则来实现合成生物学的宏伟愿景：从头设计和构建基因组。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Aaron N. Brooks et al. Transcriptional neighborhoods regulate transcript isoform lengths and expression levels. Science, 2022, doi:10.1126/science.abg0162.