釀酒酵母作為合成生物學(xué)重要的底盤細(xì)胞之一，可用于開發(fā)傳統(tǒng)釀造食品、大宗化學(xué)品和高附加值產(chǎn)品。基因組編輯技術(shù)的發(fā)展，為加快釀酒酵母細(xì)胞工廠的構(gòu)建與優(yōu)化提供了強有力的使能技術(shù)，但當(dāng)前研究集中于編輯工具本身的優(yōu)化和同源重組介導(dǎo)的精準(zhǔn)編輯。關(guān)于利用基因組編輯技術(shù)進(jìn)行NHEJ介導(dǎo)的致基因組多樣性突變和可遺傳轉(zhuǎn)錄調(diào)控的研究鮮有報道，這主要受限于釀酒酵母NHEJ修復(fù)引入突變能力較差。

近日，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員王欽宏帶領(lǐng)的進(jìn)化與代謝工程研究團(tuán)隊，基于釀酒酵母內(nèi)源的雙鏈DNA斷裂（DNA double-strand break，DSB）修復(fù)途徑設(shè)計改造和CRISPR基因組編輯，建立了不依賴模板的高效致突變基因組技術(shù)（mutagenic Genome Editing，mGE），并實現(xiàn)靶向基因的可遺傳多樣性調(diào)控表達(dá)。研究評價和比較DNA修復(fù)途徑中9個關(guān)鍵基因的敲除、過表達(dá)或氨基酸突變等16個改造對4種常用編輯工具（CRISPR/Cas9、CRISPR/Cpf1、TALENs、CRISPR/Cas9-N863A）在沒有外源DNA模板的情況下引入隨機(jī)突變能力的影響發(fā)現(xiàn)，調(diào)整DNA修復(fù)蛋白，特別是Mre11、Sae2和Exo1等DSB末端切除蛋白顯著增強不同基因組編輯工具引入突變的效率和多樣性。在此基礎(chǔ)上，研究利用MRE11-H125N（MRE11核酸酶活性失活的等位基因）和CRISPR/Cpf1組合形成致基因組多樣性編輯策略，并通過調(diào)節(jié)FPS1和GPD1的表達(dá)有效提高乙醇生產(chǎn)能力。該研究將擴(kuò)大基因組編輯在基因表達(dá)多樣化和增強基因組進(jìn)化中的應(yīng)用。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Microbiology Spectrum上。研究工作得到天津市合成生物技術(shù)創(chuàng)新能力提升行動項目、中科院科研裝備研制項目、國家自然科學(xué)基金等的支持。