中國科學家成功融合哺乳動物的染色體 自然界中通常需要一百萬年時間
（神秘的地球uux.cn）據cnBeta：在自然界中，染色體的進化變化可能需要一百萬年的時間，但是科學家們最近報告了一種新的可編程染色體融合技術，該技術成功地創造了在實驗室中發生百萬年進化規模的基因變化的小鼠。這些發現可能闡明了染色體重排--由每個父母提供的數量相等的結構化基因的整齊束，它們排列並交換或混合特征以產生後代--如何影響進化。
在《科學》雜誌上發表的一項研究中，研究人員表明，哺乳動物的完整染色體的可編程連接程是可能的。他們成功地創造了一種具有新穎和可持續的核型的實驗室家鼠，對染色體重排如何影響進化提供了關鍵的見解。
研究共同第一作者、中國科學院動物研究所和幹細胞與生殖生物學國家重點實驗室研究員李治琨說：“經過100多年的人工繁殖，實驗室家鼠一直保持著標準的40個染色體核型--或一個生物體的染色體全貌。然而，在更長的時間範圍內，由染色體重排引起的核型變化很常見。齧齒類動物每百萬年就會積累3.2-3.5種染色體重排，而靈長類動物在每百萬年也會積累1.6種染色體重排。”
據李治琨說，即使是很小的變化也會產生巨大的影響。在靈長類動物中，這1.6種變化是人類和大猩猩之間的區別。大猩猩有兩條不同的染色體，而人類有兩條合並的染色體，人類祖先的染色體之間的易位導致了大猩猩的兩條不同的染色體。單獨來看，融合或重排可能導致染色體缺失或額外的染色體，以及兒童白血病等疾病。
雖然染色體的一貫可靠性對於學習事物在短時間內的運作方式很有用，但李治琨認為，工程修改的能力可能會豐富整個千年的遺傳學認識，包括如何糾正重排或畸形的染色體。其他科學家已經成功地改變了酵母中的染色體，但將該技術轉移到哺乳動物的努力卻失敗了。
中國科學院動物研究所博士後、北京幹細胞與再生醫學研究院的共同第一作者王立賓表示，挑戰在於這一過程需要從未受精的小鼠胚胎中提取幹細胞，這意味著這些細胞隻有一對染色體。
在二倍體細胞中有兩組染色體，它們排列在一起，協商產生的生物體的遺傳學。這被稱為基因組印記，當一個顯性基因被標記為活躍，而一個隱性基因被標記為不活躍時就會發生。這個過程可以被科學地操縱，但在以前的哺乳動物細胞的嚐試中，這些信息並沒有堅持下去。
王立賓說：“在單倍體胚胎幹細胞中，基因組印記經常丟失，這意味著關於哪些基因應該活躍的信息消失了，限製了它們的多能性和基因工程。我們最近發現，通過刪除三個印記區域，我們可以在細胞中建立一個穩定的類似精子的印記模式。”
如果沒有這三個自然印記區，研究人員的工程印記模式就能站住腳，使他們能夠融合特定的染色體。他們通過將兩條中等大小的染色體--4號和5號--頭尾相接，以及兩條最大的染色體--1號和2號--以兩種方向融合來測試，從而形成了具有三種不同排列方式的核型。
王立賓說：“最初的形成和幹細胞分化受到的影響很小；然而，1號和2號染色體融合的核型導致發育停滯。由4號和5號染色體組成的較小的融合染色體成功地傳遞給了後代。”
與4號和5號染色體融合的小鼠相比，2號染色體融合在1號染色體頂部的核型沒有產生任何足月的小鼠幼崽，而相反的排列方式產生的幼崽長成更大、更焦慮、身體更慢的成年小鼠。隻有融合了4號和5號染色體的小鼠能夠與野生型小鼠產生後代，但其比率遠遠低於標準實驗室小鼠。
王立賓說，研究人員發現，生育能力的減弱是由於染色體重排後分離方式的異常造成的。他解釋說，這一發現證明了染色體重排在建立生殖隔離方麵的重要性，這是一個新物種出現的關鍵進化標誌。
“一些工程小鼠表現出異常行為和產後過度生長，而其他小鼠則表現出繁殖力下降，這表明盡管遺傳信息的變化是有限的，但動物染色體的融合可能產生深遠的影響，”李治琨說。“利用印記固定的單倍體胚胎幹細胞平台和實驗室小鼠模型中的基因編輯，我們通過實驗證明了染色體重排事件是物種進化的驅動力，對生殖隔離很重要，為哺乳動物的DNA大規模工程提供了一條潛在途徑。”
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（神秘的地球uux.cn）據中國科學院動物研究所：2022年8月26日，Science 雜誌在線發表了中國科學院動物研究所、北京幹細胞與再生醫學研究院李偉研究員與周琪研究員團隊合作完成的題為A sustainable mouse karyotype created by programmed chromosome fusion 的研究論文。該研究首次實現了哺乳動物完整染色體的可編程連接，並創建出具有全新核型（染色體組型）的小鼠。這項工作意味著生物工程技術的再次突破，為深入認識哺乳動物染色體大規模重構等結構變異對其生長發育、繁殖演化、乃至物種形成等的分子機製，開拓了“建物致知”的合成生物學研究策略並奠定了相應的技術平台。
染色體是遺傳物質DNA的主要載體，其在細胞中的組成及形態特征被稱為核型（染色體組型）。在漫長的生物演化過程中，染色體會發生重排（Chromosomal Rearrangement），齧齒類動物每百萬年就會積累3.2-3.5種染色體重排，而靈長類動物在每百萬年也會積累1.6種染色體重排。最典型的例子是靈長類動物進化過程中，兩條端著絲粒染色體通過羅伯遜融合形成了人類的2號染色體，而這兩條染色體在黑猩猩中卻仍然是分離的，因此人類有46條染色體，但黑猩猩卻有48條染色體。除了對於物種進化的重要意義，個體水平上發生的染色體重排往往會導致疾病的發生，如單親二倍化，不孕不育和兒童白血病等等。因此，在實驗室建立精準的染色體重排工程技術，對於研究染色體重排在物種進化、個體生殖發育與疾病中的作用具有重要價值。近些年，隨著基因組編輯技術的進展，染色體精準重排率先在基因組組成簡單且為單倍體的酵母上獲得成功。但是哺乳動物基因組比酵母基因組複雜得多，目前對哺乳動物染色體的重排隻限於亞染色體水平，在哺乳動物上進行完整染色體的重排仍然麵臨巨大挑戰。
本研究利用小鼠單倍體幹細胞和基因編輯工具，建立了哺乳動物染色體可編程連接技術，成功將最長的染色體1號和2號（哺乳動物染色體通常按照長度由大到小順序編號）、以及中等長度的5號和4號染色體進行首尾連接，通過染色體DNA-FISH，核型分析，以及HiC等方式進一步確認了染色體的連接，同時發現染色體連接過程中可能會發生染色體的斷裂和重新連接。這些結果表明兩條獨立存在的染色體可以通過基因編輯後非同源末端連接修複的方式連接為同一條染色體，從而首次實現了哺乳動物的完整染色體重排。
在此基礎上，研究人員進一步研究了特定染色體重排連接產生的生物學影響。在細胞表型層麵上，染色體連接後幹細胞的多能性基因表達以及分化沒有發生明顯的變化，而最長染色體連接（2號和1號染色體連接）的單倍體幹細胞二倍化速率顯著加快，且已經成為二倍體的胚胎幹細胞及神經幹細胞中仍會發生自發多倍化。研究證實，該現象是由於染色體長度過長致使細胞分裂異常而導致。也證明了哺乳動物細胞的染色體長度存在一定限製，對小鼠細胞而言，染色體長度上限範圍在308.3Mb – 377.6Mb之間。
為了解答特定染色體重排在動物表型層麵上的影響，研究人員通過單倍體幹細胞注射到卵母細胞的方式獲得染色體連接的小鼠。研究發現不同的染色體連接對小鼠產生了不同的影響，其中最長的染色體連接（2號和1號染色體連接）使得胚胎發育不能正常進行，胚胎停滯於 E12.5之前；1號和2號染色體連接後，1號染色體斷裂重新連接17號染色體，產生的小鼠則表現出了生長曲線和行為學的異常；4號和5號染色體連接的小鼠則沒有表現出明顯的異常。連接後的染色體還能夠傳遞到後代小鼠，且進一步交配可以產生純合小鼠，也就證明了兩條染色體的連接不會導致絕對的生殖隔離。但攜帶連接染色體的小鼠生殖力明顯下降，進一步探索發現，連接後的染色體雖然仍然能夠與兩條分離的同源染色體進行正常聯會，但是聯會後的同源染色體分離會出現異常。這些發現解析了染色體連接會對動物發育、行為和生殖等產生多方麵的影響。
最後，研究人員還綜合分析了染色體空間結構在胚胎幹細胞、神經幹細胞和腦內的變化趨勢，發現隨著分化的進行，染色體的空間結構變化隨著分化而減弱。
該研究首次建立了哺乳動物完整染色體可編程連接的新技術，實現了對於超大規模基因組的編輯，為哺乳動物合成生物學增添了新的研究工具。利用合成生物學“建物致知”的研究思路，借助核型重構的獨特細胞和小鼠模型，研究發現了染色體長度的限製，為哺乳動物合成生物學進行染色體設計合成提供了重要參考；揭示了染色體重排對生殖的影響，證明了染色體重排與生殖隔離的相關性，為進化生物學研究提供了新的思路。這項研究也為建立染色體重排疾病的動物模型，研究染色體重排導致的不孕不育和腫瘤等疾病的發病機製提供了新的技術手段。
中國科學院動物研究所博士後王立賓、副研究員李治琨、博士後王樂韻、博士後許凱和博士生季甜甜為本文的共同第一作者。中國科學院動物研究所李偉研究員、周琪研究員為本文共同通訊作者。參與本課題的還有中國科學院動物研究所的毛伊幻、馬思楠、劉超、王麗穎、舒由嘉、楊寧以及安諾優達基因科技有限公司的劉濤、塗成芳、趙倩和範旭寧。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm1964

(责任编辑：金培達)