釀酒酵母作為合成生物學重要的底盤細胞之一，可用于開發傳統釀造食品、大宗化學品和高附加值產品。基因組編輯技術的發展，為加快釀酒酵母細胞工廠的構建與優化提供了強有力的使能技術，但當前研究集中于編輯工具本身的優化和同源重組介導的精準編輯。關于利用基因組編輯技術進行NHEJ介導的致基因組多樣性突變和可遺傳轉錄調控的研究鮮有報道，這主要受限于釀酒酵母NHEJ修復引入突變能力較差。

近日，中國科學院天津工業生物技術研究所研究員王欽宏帶領的進化與代謝工程研究團隊，基于釀酒酵母內源的雙鏈DNA斷裂（DNA double-strand break，DSB）修復途徑設計改造和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（mutagenic Genome Editing，mGE），并實現靶向基因的可遺傳多樣性調控表達。研究評價和比較DNA修復途徑中9個關鍵基因的敲除、過表達或氨基酸突變等16個改造對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突變能力的影響發現，調整DNA修復蛋白，特別是Mre11、Sae2和Exo1等DSB末端切除蛋白顯著增強不同基因組編輯工具引入突變的效率和多樣性。在此基礎上，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，并通過調節FPS1和GPD1的表達有效提高乙醇生產能力。該研究將擴大基因組編輯在基因表達多樣化和增強基因組進化中的應用。

相關研究成果發表在Microbiology Spectrum上。研究工作得到天津市合成生物技術創新能力提升行動項目、中科院科研裝備研制項目、國家自然科學基金等的支持。