2022年8月26日，國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)在線發(fā)表了中國科學(xué)院動物研究所、北京干細胞與再生醫(yī)學(xué)研究院李偉研究員與周琪研究員團隊合作完成的研究論文 A sustainable mouse karyotype created by programmed chromosome fusion。該研究在全球首次實現(xiàn)了哺乳動物完整染色體的可編程連接，并創(chuàng)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(shù)的再次突破，為深入認(rèn)識哺乳動物染色體大規(guī)模重構(gòu)等結(jié)構(gòu)變異，及其對生長發(fā)育、繁殖演化乃至物種形成等的分子機制，拓展了“建物致知”的合成生物學(xué)研究策略并奠定了相應(yīng)的技術(shù)平臺。
染色體是遺傳物質(zhì)DNA的主要載體，其在細胞中的組成及形態(tài)特征被稱為核型(染色體組型)。不同的物種具有不同的核型，但是同一物種的核型是高度保守的，以常用的實驗動物小鼠為例，自人工繁育至今一百多年來所有的小鼠品系都維持了標(biāo)準(zhǔn)的40條染色體的核型。但是在漫長的生物演化過程中，染色體會發(fā)生重排，嚙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。進化生物學(xué)家認(rèn)為染色體重排可能是導(dǎo)致生殖隔離建立的原因，甚至可能是物種產(chǎn)生的重要驅(qū)動力，但是這一假設(shè)尚未通過實驗生物學(xué)的手段進行證明。
除了對于物種進化的重要意義，個體水平上發(fā)生的染色體重排往往導(dǎo)致疾病的發(fā)生，如不孕不育，單親二倍化疾病和兒童白血病等等。
近年來，隨著基因組編輯技術(shù)的發(fā)展，染色體精準(zhǔn)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復(fù)雜得多，此前對哺乳動物染色體的重排只限于亞染色體水平，在哺乳動物上進行完整染色體的重排仍然沒有成功實現(xiàn)。
本研究打破了這樣的技術(shù)瓶頸，研究人員利用小鼠單倍體胚胎干細胞和 CRISPR 基因編輯工具，成功將最長的染色體 1 號和 2 號進行正反連接，以及將中等長度的 5 號和 4 號染色體進行首尾連接，同時發(fā)現(xiàn)染色體連接過程中可能會發(fā)生染色體的斷裂和重新連接。
以上結(jié)果表明，來自小鼠的兩條獨立存在的染色體在基因編輯后，可以以非同源末端連接修復(fù)的方式連接為一條染色體。這意味著我國科學(xué)家在全球首次實現(xiàn)了哺乳動物的完整染色體重排，取得了合成生物學(xué)領(lǐng)域新的突破。
在此基礎(chǔ)上，研究人員進一步研究了特定染色體重排連接產(chǎn)生的影響。
在細胞表型層面上，染色體連接后干細胞的多能性基因表達以及分化沒有發(fā)生明顯的變化，而最長染色體連接( 2 號和 1 號染色體連接)的單倍體干細胞二倍化速率顯著加快，且已經(jīng)成為二倍體的胚胎干細胞及神經(jīng)干細胞中仍會發(fā)生自發(fā)多倍化。
研究證實，該現(xiàn)象是由于染色體長度過長致使細胞分裂異常而導(dǎo)致，也證明了哺乳動物細胞的染色體長度存在一定限制，對小鼠細胞而言，染色體長度上限范圍在 308.3Mb – 377.6Mb 之間。
為了解答特定染色體重排在動物表型層面上的影響，研究人員通過單倍體干細胞注射到卵母細胞的方式，成功得到染色體連接的小鼠。
研究發(fā)現(xiàn)，不同的染色體連接對小鼠產(chǎn)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(fā)育不能正常進行，胚胎停滯于 E12.5 之前;1 號和 2 號染色體連接后，1 號染色體斷裂重新連接 17 號染色體，產(chǎn)生的小鼠則表現(xiàn)出了生長曲線和行為學(xué)的異常;4 號和 5 號染色體連接的小鼠則沒有表現(xiàn)出明顯的異常。
連接后的染色體還能夠傳遞到后代小鼠，且進一步交配可以產(chǎn)生純合小鼠，也就證明了兩條染色體的連接不會導(dǎo)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(fā)現(xiàn)，連接后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(lián)會，但是聯(lián)會后的同源染色體分離會出現(xiàn)異常。
上述這些研究發(fā)現(xiàn)，解析了特定染色體連接會對動物發(fā)育、行為和生殖等產(chǎn)生多方面的影響。
最后，研究人員還綜合分析了染色體空間結(jié)構(gòu)在胚胎干細胞，神經(jīng)干細胞和腦內(nèi)的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)隨著分化的進行，染色體的空間結(jié)構(gòu)變化隨著分化而減弱。
綜上所述，該研究有以下亮點：
1. 首次建立了哺乳動物完整染色體可編程連接的新技術(shù)，實現(xiàn)了對于超大規(guī)模基因組的編輯，為哺乳動物合成生物學(xué)增添了新的研究工具;
2. 發(fā)現(xiàn)了染色體長度的限制，為哺乳動物合成生物學(xué)進行染色體設(shè)計合成提供了重要參考;
3. 通過在實驗室小鼠模型中重構(gòu)染色體重排事件，幫助理解進化衍生的染色體融合，也證明了染色體重排與生殖隔離的相關(guān)性，為進化生物學(xué)研究提供了新的思路;
4. 染色體精準(zhǔn)重排技術(shù)為建立染色體重排疾病的動物模型，研究染色體重排導(dǎo)致的不孕不育和腫瘤等疾病的發(fā)病機制，探索疾病的治療手段提供了新的技術(shù)手段。
中國科學(xué)院動物研究所博士后王立賓、副研究員李治琨、博士后王樂韻、博士后許凱和博士生季甜甜為本文的共同第一作者。中國科學(xué)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(xué)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(yōu)達基因科技有限公司的劉濤、涂成芳、趙倩和范旭寧。
該研究嚴(yán)格遵守我國法律法規(guī)和國家有關(guān)規(guī)定，并經(jīng)過了相應(yīng)的科技倫理審查。
注：報道媒體包括：新華社、中國日報、科技日報、光明日報、中國青年報、中國科學(xué)報、中國日報、央視1套《新聞聯(lián)播》節(jié)目、央視13套《朝聞天下》節(jié)目、中央廣播電臺
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