Abstract The Sc2.0 project is building a eukaryotic synthetic genome from scratch, incorporating thousands of designer features. A major milestone has been achieved with the assembly of all individual Sc2.0 chromosomes. Here, we describe the consolidation of multiple synthetic chromosomes using endoreduplication intercross to generate a strain with 6.5 synthetic chromosomes. Genome-wide chromosome conformation capture and long-read direct RNA sequencing were performed on this strain to evaluate the effects of designer modifications, such as loxPsym site insertion, tRNA relocation, and intron deletion, on 3D chromosome organization and transcript isoform profiles. To precisely map “bugs”, we developed a method, CRISPR Directed Biallelic URA3 -assisted Genome Scan, or “CRISPR D-BUGS”, exploiting directed mitotic recombination in heterozygous diploids. Using this method, we first fine-mapped a synII defect resulting from two loxPsym sites in the 3’ UTR of SHM1 . This approach was also used to map a combinatorial bug associated with synIII and synX , revealing a highly unexpected genetic interaction that links transcriptional regulation, inositol metabolism and tRNA Ser CGA abundance. “Starvation” for tRNA Ser CGA leads to insufficient levels of the key positive inositol biosynthesis regulator, Swi3 , which contains tandem UCG codons. Finally, to expedite consolidation, we employed a new method, chromosome swapping, to incorporate the largest chromosome ( synIV ), thereby consolidating more than half of the Sc2.0 genome in a single strain.

SUMMARY As part of the Synthetic Yeast 2.0 (Sc2.0) project, we designed and synthesized synthetic chromosome I. The total length of synI is ∼21.4% shorter than wild-type chromosome I, the smallest chromosome in Saccharomyces cerevisiae . SynI was designed for attachment to another synthetic chromosome due to concerns of potential instability and karyotype imbalance. We used a variation of a previously developed, robust CRISPR-Cas9 method to fuse chromosome I to other chromosome arms of varying length: chrIXR (84kb), chrIIIR (202kb) and chrIVR (1Mb). All fusion chromosome strains grew like wild-type so we decided to attach synI to synIII. Through the investigation of three-dimensional structures of fusion chromosome strains, unexpected loops and twisted structures were formed in chrIII-I and chrIX-III-I fusion chromosomes, which depend on silencing protein Sir3. These results suggest a previously unappreciated 3D interaction between HMR and the adjacent telomere. We used these fusion chromosomes to show that axial element Red1 binding in meiosis is not strictly chromosome size dependent even though Red1 binding is enriched on the three smallest chromosomes in wild-type yeast, and we discovered an unexpected role for centromeres in Red1 binding patterns.

Summary We describe construction of the 660 kilobase synthetic yeast chromosome XI ( synXI ) and reveal how synthetic redesign of non-coding DNA elements impact the cell. To aid construction from synthesized 5 to 10 kilobase DNA fragments, we implemented CRISPR-based methods for synthetic crossovers in vivo and used these methods in an extensive process of bug discovery, redesign and chromosome repair, including for the precise removal of 200 kilobases of unexpected repeated sequence. In synXI , the underlying causes of several fitness defects were identified as modifications to non-coding DNA, including defects related to centromere function and mitochondrial activity that were subsequently corrected. As part of synthetic yeast chromosome design, loxPsym sequences for Cre-mediated recombination are inserted between most genes. Using the GAP1 locus from chromosome XI , we show here that targeted insertion of these sites can be used to create extrachromosomal circular DNA on demand, allowing direct study of the effects and propagation of these important molecules. Construction and characterization of synXI has uncovered effects of non-coding and extrachromosomal circular DNA, contributing to better understanding of these elements and informing future synthetic genome design.

Summary Whether synthetic genomes can power life has attracted broad interest in the synthetic biology field, especially when the synthetic genomes are extensively modified with thousands of designer features. Here we report de novo synthesis of the largest eukaryotic chromosome thus far, synIV , a 1,454,621-bp Saccharomyces cerevisiae chromosome resulting from extensive genome streamlining and modification. During the construction of synIV , we developed megachunk assembly combined with a hierarchical integration strategy, which significantly increased the accuracy and flexibility of synthetic chromosome construction and facilitated chromosome debugging. In addition to the drastic sequence changes made to synIV by rewriting it, we further manipulated the three-dimensional structure of synIV in the yeast nucleus to explore spatial gene regulation within the nuclear space. Surprisingly, we found few gene expression changes, suggesting that positioning inside the yeast nucleoplasm plays a minor role in gene regulation. Lastly, we tethered synIV to the inner nuclear membrane via its hundreds of loxPsym sites and observed transcriptional repression of the entire chromosome, demonstrating chromosome-wide transcription manipulation without changing the DNA sequences. Our manipulation of the spatial structure of the largest synthetic yeast chromosome shed light on higher-order architectural design of the synthetic genomes. Graphical abstract Highlights De novo synthesis of the largest eukaryotic chromosome, synIV SynIV shows similar 3D structure to wild-type IV, despite thousands of changes made to it “Inside-out” repositioning of synIV in nucleus shows minor transcriptional changes Multipoint tethering synIV to inner nuclear membrane represses transcription of whole chromosome

Abstract Use of synthetic genomics to design and build “big” DNA has revolutionized our ability to answer fundamental biological questions by employing a bottom-up approach. S. cerevisiae , or budding yeast, has become the major platform to assemble large synthetic constructs thanks to its powerful homologous recombination machinery and the availability of well-established molecular biology techniques. However, efficiently and precisely introducing designer variations to episomal assemblies remains challenging. Here, we describe CRISPR Engineering of EPisomes in Yeast, or CREEPY, for rapid engineering of mammalian DNA constructs larger than 100 kb. We demonstrate that editing of circular episomes presents unique challenges compared to modifying native yeast chromosomes with CRISPR. After optimizing CREEPY for episomal editing, we achieve efficient simplex and multiplex editing as demonstrated by engineering a mouse Sox2 -harboring episome.

Copy number variants (CNVs) are a pervasive, but understudied source of genetic variation and evolutionary potential. Long-term evolution experiments in chemostats provide an ideal system for studying the molecular processes underlying CNV formation and the temporal dynamics of de novo CNVs. Here, we developed a fluorescent reporter to monitor gene amplifications and deletions at a specific locus with single-cell resolution. Using a CNV reporter in nitrogen-limited chemostats, we find that GAP1 CNVs are repeatedly generated and selected during the early stages of adaptive evolution resulting in predictable dynamics of CNV selection. However, subsequent diversification of populations defines a second phase of evolutionary dynamics that cannot be predicted. Using whole genome sequencing, we identified a variety of GAP1 CNVs that vary in size and copy number. Despite GAP1's proximity to tandem repeats that facilitate intrachromosomal recombination, we find that non-allelic homologous recombination (NAHR) between flanking tandem repeats occurs infrequently. Rather, breakpoint characterization revealed that for at least 50% of GAP1 CNVs, origin-dependent inverted-repeat amplification (ODIRA), a DNA replication mediated process, is the likely mechanism. We also find evidence that ODIRA generates DUR3 CNVs, indicating that it may be a common mechanism of gene amplification. We combined the CNV reporter with barcode lineage tracking and found that 10^3-10^4 independent CNV-containing lineages initially compete within populations, which results in extreme clonal interference. Our study introduces a novel means of studying CNVs in heterogeneous cell populations and provides insight into the underlying dynamics of CNVs in evolution.