嵌合基因簇的设计与构建

Horizontal gene transfer (HGT) plays an important role in evolutionary process. It is a unique phenomenon that the different genetic material from diverse communities can be transferred to form chimeric genomes, which provides as original materials for biological evolution process. Nowadays the research on HGT and its related chimerism is limited by low frequency and narrow chimeric scope inherited from natural selection, which has greatly limited its research on HGT mechanisms and its applications. Based on the prevalence of HGT, we hypothesis that artificially increasing the “evolutionary dynamics”, that is, increasing the number of chimeric genes, can provide a promising way to analyze the impact of large-scale exogenous gene replacement on the species itself. By taking advantages of synthetic genomics engineering, the current project intends to greatly increase the number of chimeric genes by means of "super-evolution" to study whether chimeric gene clusters can be expressed in one species and exert their synergistic effects. This project presents a new method for investigating the phenomenon of HGT and opens the possibility for its application.

基因水平转移现象是来源于不同物种不同基因序列的嵌合式进化过程，为生物进化提供了原始材料，在生物进化中起着重要的作用。目前对基因水平转移及其相关的嵌合性的研究速度慢、范围窄，这在很大程度上限制了对其的研究和利用价值。基于基因水平转移现象的普遍存在性，我们认为可以人为的增加“进化动力”即增加嵌合基因数目来分析大范围外源基因替换对物种本身产生的影响。本项目拟利用合成基因组学理论及方法，在同一物种中通过“超进化”方式大幅度提高外源嵌合基因数目并利用多轮“设计-构建-测试”的方法，开展构建嵌合基因簇表达、发挥其功能并测试其是否具有协同作用使物种可以存活的研究。本项目研究成果为基因水平转移的嵌合进化现象的研究开拓了新方向，同时也为进一步研究对其的应用提供了新思路。

基因水平转移现象是不同物种来源的基因进行嵌合式进化的过程，为生物进化提供了原始材料，对物种进化具有重要的作用。本项目是基于目前对基因水平转移及其相关的嵌合性研究速度范围窄的现象上提出和开展的。基于基因水平转移现象的普遍存在性，我们人为的增加“进化动力”即增加嵌合基因数目来分析大范围外源基因替换对物种本身产生的影响。本项目以基因水平转移现象为理论研究基础，以合成基因组学为研究方法，在同一物种中通过“超进化”方式大幅度提高外源嵌合基因数目并利用多轮“设计-构建-测试”的方法，开展构建嵌合基因簇表达、发挥其功能并测试其是否具有协同作用使物种可以存活的研究。具体研究工作包括：1）细菌必需基因组库的筛选及设计；2）嵌合基因模块的设计与合成；3）嵌合基因模块的功能测试；4）不能代替野生型基因发挥功能的嵌合基因的快速替换与验证。通过系列研究我们发现有78%的嵌合基因是可以替代野生型必需基因发挥功能的，并且通过本项目设计的功能测试方法可以快速替换不能发挥功能的嵌合基因。本项目的系列研究是对高度嵌合的外源基因功能验证的初次尝试，为后续嵌合基因簇的进一步研究提供了理论支撑与技术保障。