合成基因组学通过设计与合成重塑基因组，既可以探索基因组的组织规律，也是改造基因组、创造人工生命的底盘技术。随着人们对基因组认识的不断深入和DNA合成技术的不断进步，合成基因组学已成为科学探索新前沿。非细胞生物和原核生物都已实现了基因组的人工合成。去年11月，国际酵母基因组合成计划（Sc2.0）宣布第二阶段重大进展，完成了全部16条染色体和一条特殊设计的tRNA新染色体的设计与合成。然而，多细胞生物基因组庞大，表观遗传调控复杂，难以转化和定向重组DNA大片段，难以实现个体再生，给多细胞生命的基因组合成带来了极大挑战。
2024年1月26日，中国科学院大学汪颖课题组、北京大学生命科学学院焦雨铃课题组和中国农科院深圳农业基因组所戴俊彪课题组、中国科学院遗传发育所钱文峰课题组等合作在Nature Plants在线发表了题为A designer synthetic chromosome fragment functions in moss的论文。该研究重新设计了染色体序列，极度简化了基因组，对内源序列进行了大幅删减（55.8%），并加入了人工标签。该研究进一步合成并组装了设计序列，并在小立碗藓体内完成了约1/3染色体臂的替换。所获合成株系能够正常生长，合成区域的表观遗传景观也能够正常重新建立。
模式生物小立碗藓的再生效率高、单倍体世代占主导，且具有较高的同源重组能力。因此，研究团队选择了小立碗藓作为多细胞生物基因组合成的底盘，尝试合成基因较少的18号染色体短臂。
图1. 小立碗藓18L人工合成基因组序列设计示意图
该研究选取了小立碗藓18号染色体上一段约155 kb 的序列进行合成。采用的设计策略如图1所示。首先对基因组进行简化，删去重复序列，保留编码区以及上游和下游的序列。此外，所有终止密码子被替换成TAA，为以后密码子扩充做铺垫。设计还移动了部分基因的位置。在合成大片段的两侧（浅蓝色部分）具有与内源序列相同的1 kb同源序列，用于体内重组替换。此外，合成序列中加入了抗性基因，用于筛选。通过重新设计，155 kb的基因组片段被缩减至约68 kb。
对基于以上原则设计的大片段，作者通过体外化学合成、大片段组装和植物体内同源重组实现人工序列对天然序列的替换（图2）。经过多轮组装和转化尝试，该研究最终获得了完全替换成功的合成株系semi-syn 18L。PCR检测和重测序分析都证明了目标大片段的成功替换。对合成株系semi-syn 18L的表型观察、抗逆性检测表明，合成株系和野生型在各个发育阶段表型类似，对高盐和干旱耐受性也无明显差异。
图2. 小立碗藓基因组大片段合成、组装和替换重组流程示意图
多细胞生物具有复杂的表观遗传景观，为研究合成区域的表观遗传景观能否正常建立，该研究使用ChIP-seq, ATAC-seq, WGBS, Hi-C等技术分析并对比了合成型株系和野生型小立碗藓的表观遗传图谱。在合成株系中，与重复序列相关的H3K9me2标记基本丢失，整体DNA甲基化率也显著降低。合成区域中转录激活性表观遗传标记正常建立并略有升高，染色质开放性与基因表达也有所提高。Hi-C显示合成株系中合成区域和周边区域基因形成了新的染色质环，周边区域基因的表达量也略有升高。总而言之，表观遗传景观能够在合成区域正常从头建立，但基因组的三维组织模式出现微小变化。
图3. （a）半合成型小立碗藓（semi-syn 18L）在合成区域中组蛋白修饰与野生型的对比。（b）半合成型小立碗藓（semi-syn 18L）在合成区域及周边区域染色质环分布与野生型对比。
该研究大幅删除了内源重复序列，极度简化了基因组，并加入了其他设计元件形成了全新的人工设计与合成的染色体序列；研究在小立碗藓体内完成了约1/3染色体臂的人工合成与替换，为进一步开展更大范围的合成苔藓基因组计划（SynMoss）奠定了技术基础，并为多细胞生物的基因组合成铺平了道路。
中国科学院大学博士生高祎和硕士生李必勐参与了该项研究。中国科学院大学生命科学学院汪颖副教授、北京大学生命科学学院焦雨铃教授、中国农科院深圳农业基因组研究所戴俊彪研究员以及中国科学院遗传与发育生物学研究所钱文峰研究员为该论文的共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、深圳市和中国博士后科学基金等项目的支持。
