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(qiáng)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(bào)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(guó)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(duì)，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(jì)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(shí)現(xiàn)靶向基因的可遺傳多樣性調(diào)控表達(dá)。研究評(píng)價(jià)和比較DNA修復(fù)途徑中9個(gè)關(guān)鍵基因的敲除、過表達(dá)或氨基酸突變等16個(gè)改造對(duì)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(qiáng)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(qiáng)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(dòng)項(xiàng)目、中科院科研裝備研制項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。