《Biological Reviews》：The power of many: when genetics met yeasts and high-throughput
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这篇综述系统阐述了酵母作为真核模式生物在高通量（HT）遗传分析中的技术革新与应用前沿。文章详细介绍了基因组编辑（如CRISPR-Cas系统）、突变体库构建（如基因敲除集合、温度敏感株）及自动化表型筛选平台的发展，如何推动基因功能、遗传互作和进化机制的研究。通过整合生物信息学与人工智能，酵母模型在人类疾病模拟（如神经退行性疾病、癌症靶点验证）和生物技术开发（如酶定向进化、生物燃料生产）中展现出巨大潜力，为生命科学提供了从基础到转化的多维洞察。
高通量技术驱动下的酵母遗传学研究
近年来，复杂技术能力的演进推动了对整合性生物学问题的全局分析。新设备实现了传统小规模操作的自动化与规模化，而酵母作为典型真核模型，凭借其高效的基因组编辑潜力（如同源定向修复HDR和CRISPR-Cas系统）和短生命周期，成为生成并分析数千遗传变异株系的理想平台。结合微孔板机器人、液相处理系统和多维表型检测（如荧光显微镜、流式细胞术），研究者能够以HT规模绘制生物过程全局图谱，重塑对基础生物学、进化及生物技术应用的认识。
非生物工程：HT实验的技术支柱
HT核心在于并行处理大量样本的能力，通过微型化流程与多孔板平台实现。技术设备可分为三类：
- 1.
液相处理系统：集成移液机器人与功能模块（如热循环仪、磁珠纯化），支持核酸提取、PCR建库、定量分析等分子操作。
- 2.
菌落处理系统：在固体培养基上自动化接种、复制杂交菌株阵列，密度可达每板6,144个克隆，覆盖全基因组缺失库。
- 3.
数据采集与分析：依托成像系统、光谱仪和人工智能算法，实现动态表型（如生长曲线、蛋白定位）的自动化解读。
此外，公开数据库（如SGD、Pombase）与交互工具整合多组学数据，助力跨物种功能比较。
生物工程：遗传变异库的构建策略
（1）定向与随机基因组编辑
定向编辑依赖同源重组或CRISPR-Cas系统，可精准引入点突变、缺失或标签（如GFP融合），效率超90%。随机突变则通过化学诱变剂（如EMS）、转座子插入或OrthoRep系统在体内累积变异，结合下一代测序（NGS）定位表型相关位点。这类方法能揭示功能结构域重要性及条件性必需基因。
（2）系统突变体集合
- •
阵列化库：如酵母全基因敲除集合，明确每位点基因型，用于研究单倍体不足或合成致死。
- •
混合库：通过条形码标记菌株，实现池化培养与竞争实验，大幅提升筛选通量。
例如，利用转座子插入测序（TIS）鉴定必需基因组区域，发现非编码RNA和UTR等非编码元件的功能。
（3）随机库的应用优势
随机突变可产生功能获得型或条件型等位基因，并通过NGS解析多基因互作。研究表明，约20%的基因缺失会影响邻近基因表达，8%与非整倍体相关，提示需考虑“邻近效应”在表型解读中的影响。
HT筛选的应用前沿
（1）基础生物学问题探索
- •
基因必需性：通过缺失库与转座子图谱界定必需基因（如酵母中约18%基因为必需），发现其依赖遗传背景与环境条件。
- •
条件性必需性：温度敏感突变体或营养缺陷株揭示基因功能在特定环境（如代谢物补充）下的可替代性。
- •
合成遗传互作：双突变体筛选显示合成致死或拯救关系，映射功能通路（如蛋白复合体亚基间互作）。
（2）适应性进化研究
长期传代实验揭示缺失株可通过点突变、染色体重复补偿适应性损失。例如，PEX19缺失在衰老细胞中突变率升高，提示过氧化物酶体在基因组稳定性中的作用。微流体设备支持HT复制寿命（RLS）监测，应用于病原真菌（如Cryptococcus neoformans）耐药性研究。
（3）衰老机制解析
酵母模型通过HT寿命筛选（如条形码缺失库）识别保守衰老相关基因（如TORC1、sirtuin通路）。组蛋白去乙酰化酶HDA调控海藻糖代谢影响寿命，机制在Caenorhabditis elegans和Drosophila中保守。
生物医学应用：人类疾病的酵母模型
（1）基础建模
表达人类疾病基因等位基因（如OPA1突变致视神经萎缩），筛选FDA库中小分子挽救线粒体缺陷表型。
（2）异源表达
人源蛋白（如α-突触核蛋白、Aβ肽）在酵母中模拟神经退行性疾病蛋白聚集，通过生长恢复筛选抑制剂。深度突变扫描分析Aβ所有错义变体，揭示N端负电荷残基抑制聚集。
（3）疾病相关模序模拟
人类磷酸化位点或错义变异（如MSH2错义致结肠癌风险）在酵母中验证功能影响，评估临床未明确变异致病性。
（4）全基因替换
人类基因互补酵母同源基因（如细胞骨架蛋白家族），揭示功能保守性与多成员冗余性。
（5）全通路重构
人源细胞色素P450酶（CYP2C9）及其辅因子在酵母中表达，评估药物代谢变异体活性，为个体化用药提供模型。
生物技术应用：药物发现与化合物生产
化学基因组学筛选揭示化合物作用机制与遗传互作。酵母人源化模型用于抗真菌剂开发（如抑制Candida生物膜），或优化工业酶（如角质酶降解PET塑料）。定向进化（OrthoRep系统）提升化合物产量（如cis-cis-黏康酸生产生物塑料）。非传统酵母（如Pichia occidentalis）在耐受性与产物合成中展现优势。
结论
酵母HT技术整合多学科工具，实现了从基因功能解码到疾病机制模拟的跨越。人工智能与自动化将进一步推动超高通量实验设计，深化对遗传网络的理解，并为精准医学与绿色生物制造提供创新平台。
