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基于贾第虫的极小基因组探索构建简约基因组和真核底盘细胞

批准号:
32070419
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
文建凡
学科分类:
动物进化与发育
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
文建凡

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
合成生物学被认为是认识生命的钥匙和改变未来的颠覆性技术。构建底盘细胞是其中重要的一环。目前构建的底盘细胞不多且多为原核型的。而真核底盘细胞因有其不可替代的优势而需求十分迫切。但苦于许多真核细胞基因组大而复杂,在构建底盘细胞过程中要去掉原有基因组中的非必需基因(成为简约基因组)难度极高。根据构建底盘细胞需满足的条件和我们长期对单细胞原生动物贾第虫的研究积累,认为蓝氏贾第虫具有构建底盘细胞的独特优势:其基因组因寄生适应进化而高度缩减(仅12.6Mb,基因数、内含子、重复序列等均很少),且能独立于宿主进行长期培养。本项目就是拟以研究背景最清楚的蓝氏贾第虫WB株为材料,利用在贾第虫上已成功建立的基因组编辑技术对其在培养条件下的非生存必需的基因(如许多寄生适应性基因等)进行删减,构建出具简约基因组的简约细胞,然后再设计构建具有特色的底盘细胞。该研究具有显著的创新性和重要的基础研究和实际应用意义。
英文摘要
Synthetic biology is considered as the key to understanding life and a paradigm-shifting technology changing the future. The reconstruction of chassis cells is the most important part of it. Up to now, some chassis cells have been constructed but most of them are prokaryotic. Due to the irreplaceable advantages of eukaryotic chassis cells in generating functional products, it is very urgent to construct eukaryotic chassis cells. However, due to the large-size and complexity of many eukaryotic genomes, the deletion of non-essential genes from many eukaryotic genomes is rather difficult. Based on the criteria for chassis cells and our long-term study on unicellular protist Giardia, we propose that Giardia lamblia has unique advantages for constructing chassis cells: its genome has undergone massive reduction for parasitic adaptation (genome size is only 12.6Mb, the numbers of genes, introns, and repetitive sequences all are small or few), moreover, it can be cultivated in laboratory, dependent of the vertebrate hosts. The present project is aimed to reconstruct Giardia minimal genome from G. lamblia WB ATCC 50803, whose genetic background is well known. We plan to delete non-essential genes (such as many genes indispensable for parasitic life) under cultivation circumstance utilizing the well-established genome editing technology in Giardia, and ultimately reconstruct the Giardia minimal cell with minimal genome (genome with the almost smallest gene number). Then based on the minimal cell different Giardia chassis cells will be designed and generated according to different purposes. This project is remarkably innovative and of significance to both basic research and practical application.
合成生物学作为一门颠覆性技术,其最重要的任务之一就是构建高效、稳定的底盘细胞。目前投入使用的底盘细胞集中于原核细胞,真核细胞基因组的高度复杂性以及非必需基因剔除的技术难题制约了真核底盘细胞的发展。本项目以基因组高度缩减和可以进行纯培养的单细胞原生动物蓝氏贾第虫为研究对象,通过深度分析蓝氏贾第虫的基因组判别出其候选的生存非必需基因,然后对它们进行逐步进行基因敲除以获得贾第虫简约细胞,并进而构建有用的底盘细胞。研究首先通过比较基因组学分析确定蓝氏贾第虫的最小核心基因339个和特有基因1067个,并识别出一批与寄生生活密切相关的人工培养下的生存非必需基因。随后,成功构建了高效的CRISPR/Cas9、CRISPR/Cpf1基因编辑平台和内含子的质粒敲除法技术,实现了从该生物的四倍体基因组中对这些基因和内含子的的完全敲除,并实现了一次性可删除多达16个基因。基于此,项目组成功构建了11种不同程度和方面简约基因组的细胞,并进一步开发了两种具有特色的底盘细胞:1)“共生虫”底盘细胞,通过大规模敲除寄生相关基因,实现了贾第虫从“寄生虫”到“共生虫”的转变,为研究寄生原虫致病性提供了重要工具;2)“脂肪酸合成”底盘细胞,通过补全脂肪酸合成途径,使其能够利用多种有机物合成并分泌脂肪酸,具有潜在的应用价值。此外,研究还探讨了贾第虫维持低等位基因差异(ASH)的机制,发现其无性生殖中的核分裂分配方式(重排型)是保持基因组一致性的关键。同时,发现了3个极特殊的贾第虫内含子,这些内含子在真核生物普遍存在且保守,可能具有共性的潜在功能,是对内含子功能研究具极为重要的意义。本研究不仅构建了首个贾第虫简约基因组细胞,还为合成生物学提供了重要的底盘细胞资源,为具有优势的真核底盘细胞的开发提供了应用前景。.完成该项目的研究,目前标注该基金资助的2篇重量的SCI 论文处于修改阶段,已培养毕业博士研究生2名。
特殊生物类群――双滴虫类的“双等核”体制的功能与进化的基因组基础
基于贾第鞭毛虫与其近缘种的比较基因组学研究探讨有性生殖的进化
贾第虫的极端原始性与次生寄生适应性的比较基因组学研究
血吸虫消化酶系和能量代谢途径的寄生适应性进化与防治靶标的发掘
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