Chromosomen sind lange DNA-Moleküle, die zusammen ein Genom bilden und das gesamte genetische Material eines Organismus enthalten. Fortschritte in der Technologie haben es Wissenschaftlern ermöglicht, verschiedene Chromosomensequenzen neu zu entwerfen und zu konstruieren, was die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Genvariationen und Merkmalen erleichtert.
Insbesondere ist Hefe ein wichtiger Modellorganismus für das Verständnis grundlegender zellulärer Prozesse, da sie auf zellulärer Ebene Pflanzen und Tieren ähnelt und gleichzeitig wesentlich einfacher zu manipulieren und zu untersuchen ist. Daher kann die Neugestaltung und Synthese eines Hefegenoms Wissenschaftlern dabei helfen, die Auswirkungen genetischer Variationen auf einzelne Merkmale zu verstehen und möglicherweise die Mechanismen genetischer Krankheiten aufzuklären.
Mit diesem Ziel vor Augen arbeiten Wissenschaftler des NUS Synthetic Biology for Clinical and Technological Innovation (SynCTI), des Synthetic Biology Translational Research Program (Syn Bio TRP) und der Abteilung für Biochemie an der Yong Loo Lin School of Medicine der National University of Singapore (NUS Medicine) haben ein neu gestaltetes Hefechromosom XV synthetisiert, das 1,05 Millionen Basenpaare umfasst – das größte synthetisierte Chromosom in Asien.
Die Arbeit ist veröffentlicht in Zellgenomik.
Das wissenschaftliche Team unter der Leitung von außerordentlichem Professor Matthew Chang ist Teil des Synthetic Yeast Genome Project (Sc2.0), einem internationalen Konsortium aus Laboren auf der ganzen Welt, die zusammenarbeiten, um alle 16 Hefechromosomen von Grund auf neu zu entwerfen und zu konstruieren. Die Arbeit des Teams von A/Prof Chang gilt als wichtiger Meilenstein auf dem Gebiet der synthetischen Biologie.
Bei der Entwicklung des synthetischen Chromosoms
Um den Montageprozess von synXV zu rationalisieren, entwickelte das Team eine bahnbrechende Technologie namens CRISPR/Cas9-vermittelte mitotische Rekombination mit Endoreduplikation (CRIMiRE). Diese innovative Technologie beschleunigt den Austausch großer chromosomaler DNA-Segmente an bestimmten Stellen erheblich und ermöglicht so die gleichzeitige Zusammenstellung mehrerer synthetischer Chromosomensegmente und deren Zusammenfügen zu einem vollständigen synthetischen Chromosom XV.
Nach der Generierung des synthetischen Hefechromosoms ermöglicht CRIMiRE außerdem die absichtliche Mischung und Zuordnung von synXV mit einem anderen Hefechromosom. Dadurch entstehen unterschiedliche genetische Kombinationen für Studien, die den Zusammenhang zwischen genetischen Variationen und individuellen Merkmalen verdeutlichen.
Angesichts der Herausforderungen bei der Arbeit mit extrem langen DNA-Sequenzen sind die herkömmlichen Ansätze nicht in der Lage, die Sequenzen effizient zu ändern. Der Einsatz von CRIMiRE hat den Prozess jedoch vereinfacht und um das Zehnfache verkürzt, was möglicherweise die Art und Weise, wie größere synthetische Chromosomen für komplexere Organismen hergestellt werden, revolutioniert.
„Dieser Erfolg öffnet die Tür zum Verständnis grundlegender Fragen zu biologischen Prozessen“, sagte A/Prof Matthew Chang.
„Unser Weg zur Vollendung des Aufbaus des synthetischen Hefechromosoms war bemerkenswert. Wir haben nicht nur unser technisches Können bei der Herstellung synthetischer Chromosomen unter Beweis gestellt, sondern sind jetzt auch in der Lage, sie für weitere Studien schnell in verschiedene Designs umzugestalten. Diese synthetischen Chromosomen sind unser Schlüssel dazu.“ „Wir werden Antworten auf grundlegende biologische Fragen erschließen und das Potenzial für bahnbrechende Fortschritte bieten, die letztlich der Menschheit tiefgreifende Vorteile bringen können“, fügte er hinzu.
„Die Ergebnisse dieser Arbeit versprechen, den Weg für zukünftige Fortschritte in der synthetischen Genomik zu ebnen, insbesondere bei größeren und komplexeren Chromosomen. Dieser Ansatz kann hilfreich sein, um die Mechanismen genetischer Krankheiten zu entschlüsseln und sie besser zu verstehen und möglicherweise Behandlungen zu entwickeln.“ fügte Dr. Foo Jee Loon, wissenschaftlicher Assistenzprofessor von SynCTI, Syn Bio TRP und der Abteilung für Biochemie, NUS Medicine, der Erstautor des Artikels, hinzu.
Mehr Informationen:
Jee Loon Foo et al., Etablierung von chromosomalem Design-Build-Test-Learn durch ein synthetisches Chromosom und seine kombinatorische Rekonfiguration, Zellgenomik (2023). DOI: 10.1016/j.xgen.2023.100435