在国家自然科学基金项目（项目编号：31471254）等资助下，清华大学戴俊彪研究团队与法国巴斯德研究所RomainKoszul教授合作开展的染色体设计与合成研究取得重要进展，相关研究成果分别以“Engineering the ribosomal DNA in amegabase synthetic chromosome”（在百万级碱基量级合成染色体上编辑核糖体DNA）和“3D organization of synthetic andscrambled chromosomes”（合成与重排后染色体的3D结构）为题于2017年3月10日以封面Research Article的形式发表在Science上。该成果成功实现了酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）十二号染色体的人工设计与合成，揭示了染色体序列改变及rDNA区域在其他染色体上的重建对染色体高级结构及核仁位置等的影响。论文链接：http://science.sciencemag.org/content/355/6329/eaaf3981，http://science.sciencemag.org/content/355/6329/eaaf4597。

     真核生物核糖体RNA编码基因（rDNA）以串联重复方式存在于染色体一个或者多个位点，构成rDNA基因簇（亦称rDNA区）。如酿酒酵母和人的rDNA区分别由约为150和350个拷贝的rDNA构成，形成了细胞核内一个特殊的结构——核仁。除了编码核糖体RNA外，rDNA内部的转录间隔区（ITS）在植物和真菌中一直被作为DNA分子标签，用于种属的鉴定。

     研究人员利用人工合成的DNA完成了整个十二号染色体的组装。在该合成染色体基础上，将其所包含的、长度约为150万个碱基对的rDNA区完全敲除，利用高拷贝质粒上表达的rDNA支持细胞的存活。随后对rDNA进行修改，在基因组多个不同位置上利用修改后的rDNA实现了整个rDNA区的再生。在rDNA区的再生过程中，研究人员利用贝酵母（Saccharomyces bayanus）的序列替换酿酒酵母的ITS，重建并获得了另一个带有合成染色体的酵母。该酵母被鉴定为贝酵母，但其他基因组序列都是酿酒酵母（Zhang et al., Science, 2017）。

     随后，研究人员利用Hi-C技术分析了合成染色体rDNA区域被移除前后，以及在其他染色体上重建后的染色体3D结构，发现合成染色体序列的改变对整个基因组的高级结构不产生显著影响。然而，rDNA区域在其他染色体上的重建可以导致十二号染色体以及核仁在细胞核内位置的变化，同时造成染色体高级结构的调整（Mercy et al.,Science 2017）。

     这两项研究成果表明，我国科研人员不仅能够设计、构建获得含有百万级碱基的合成染色体，并且实现了对高度重复的rDNA区进行编辑与操控，奠定了未来对其他超大、结构超复杂的基因组进行设计与编写的基础。与此同时，也证明了酵母基因组中rDNA区域及其他序列均具有惊人的灵活度与可塑性。通过改变rDNA内ITS而实现“物种置换”，在一定程度上反映了进化的灵活性。

图十二号染色体的设计、重构以及3D结构示意图。左侧为Science杂志封面，展示了酵母染色体的3D结构图；右侧为十二号染色体上rDNA区被去除后细胞核中核仁位置的变化。