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中国科学家成功融合哺乳动物的染色体 自然界中通常需要一百万年时间

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热度57票 浏览27次 时间:2022年9月13日 10:30
中国科学家成功融合哺乳动物的染色体 自然界中通常需要一百万年时间

中国科学家成功融合哺乳动物的染色体 自然界中通常需要一百万年时间

(化石网)据cnBeta:在自然界中,染色体的进化变化可能需要一百万年的时间,但是科学家们最近报告了一种新的可编程染色体融合技术,该技术成功地创造了在实验室中发生百万年进化规模的基因变化的小鼠。这些发现可能阐明了染色体重排--由每个父母提供的数量相等的结构化基因的整齐束,它们排列并交换或混合特征以产生后代--如何影响进化。

在《科学》杂志上发表的一项研究中,研究人员表明,哺乳动物的完整染色体的可编程连接程是可能的。他们成功地创造了一种具有新颖和可持续的核型的实验室家鼠,对染色体重排如何影响进化提供了关键的见解。

研究共同第一作者、中国科学院动物研究所和干细胞与生殖生物学国家重点实验室研究员李治琨说:“经过100多年的人工繁殖,实验室家鼠一直保持着标准的40个染色体核型--或一个生物体的染色体全貌。然而,在更长的时间范围内,由染色体重排引起的核型变化很常见。啮齿类动物每百万年就会积累3.2-3.5种染色体重排,而灵长类动物在每百万年也会积累1.6种染色体重排。”

据李治琨说,即使是很小的变化也会产生巨大的影响。在灵长类动物中,这1.6种变化是人类和大猩猩之间的区别。大猩猩有两条不同的染色体,而人类有两条合并的染色体,人类祖先的染色体之间的易位导致了大猩猩的两条不同的染色体。单独来看,融合或重排可能导致染色体缺失或额外的染色体,以及儿童白血病等疾病。

虽然染色体的一贯可靠性对于学习事物在短时间内的运作方式很有用,但李治琨认为,工程修改的能力可能会丰富整个千年的遗传学认识,包括如何纠正重排或畸形的染色体。其他科学家已经成功地改变了酵母中的染色体,但将该技术转移到哺乳动物的努力却失败了。

中国科学院动物研究所博士后、北京干细胞与再生医学研究院的共同第一作者王立宾表示,挑战在于这一过程需要从未受精的小鼠胚胎中提取干细胞,这意味着这些细胞只有一对染色体。

在二倍体细胞中有两组染色体,它们排列在一起,协商产生的生物体的遗传学。这被称为基因组印记,当一个显性基因被标记为活跃,而一个隐性基因被标记为不活跃时就会发生。这个过程可以被科学地操纵,但在以前的哺乳动物细胞的尝试中,这些信息并没有坚持下去。

王立宾说:“在单倍体胚胎干细胞中,基因组印记经常丢失,这意味着关于哪些基因应该活跃的信息消失了,限制了它们的多能性和基因工程。我们最近发现,通过删除三个印记区域,我们可以在细胞中建立一个稳定的类似精子的印记模式。”

如果没有这三个自然印记区,研究人员的工程印记模式就能站住脚,使他们能够融合特定的染色体。他们通过将两条中等大小的染色体--4号和5号--头尾相接,以及两条最大的染色体--1号和2号--以两种方向融合来测试,从而形成了具有三种不同排列方式的核型。

王立宾说:“最初的形成和干细胞分化受到的影响很小;然而,1号和2号染色体融合的核型导致发育停滞。由4号和5号染色体组成的较小的融合染色体成功地传递给了后代。”

与4号和5号染色体融合的小鼠相比,2号染色体融合在1号染色体顶部的核型没有产生任何足月的小鼠幼崽,而相反的排列方式产生的幼崽长成更大、更焦虑、身体更慢的成年小鼠。只有融合了4号和5号染色体的小鼠能够与野生型小鼠产生后代,但其比率远远低于标准实验室小鼠。

王立宾说,研究人员发现,生育能力的减弱是由于染色体重排后分离方式的异常造成的。他解释说,这一发现证明了染色体重排在建立生殖隔离方面的重要性,这是一个新物种出现的关键进化标志。

“一些工程小鼠表现出异常行为和产后过度生长,而其他小鼠则表现出繁殖力下降,这表明尽管遗传信息的变化是有限的,但动物染色体的融合可能产生深远的影响,”李治琨说。“利用印记固定的单倍体胚胎干细胞平台和实验室小鼠模型中的基因编辑,我们通过实验证明了染色体重排事件是物种进化的驱动力,对生殖隔离很重要,为哺乳动物的DNA大规模工程提供了一条潜在途径。”

相关:动物所开发染色体编辑新技术创建全新核型小鼠

(化石网)据中国科学院动物研究所:2022年8月26日,Science 杂志在线发表了中国科学院动物研究所、北京干细胞与再生医学研究院李伟研究员与周琪研究员团队合作完成的题为A sustainable mouse karyotype created by programmed chromosome fusion 的研究论文。该研究首次实现了哺乳动物完整染色体的可编程连接,并创建出具有全新核型(染色体组型)的小鼠。这项工作意味着生物工程技术的再次突破,为深入认识哺乳动物染色体大规模重构等结构变异对其生长发育、繁殖演化、乃至物种形成等的分子机制,开拓了“建物致知”的合成生物学研究策略并奠定了相应的技术平台。

染色体是遗传物质DNA的主要载体,其在细胞中的组成及形态特征被称为核型(染色体组型)。在漫长的生物演化过程中,染色体会发生重排(Chromosomal Rearrangement),啮齿类动物每百万年就会积累3.2-3.5种染色体重排,而灵长类动物在每百万年也会积累1.6种染色体重排。最典型的例子是灵长类动物进化过程中,两条端着丝粒染色体通过罗伯逊融合形成了人类的2号染色体,而这两条染色体在黑猩猩中却仍然是分离的,因此人类有46条染色体,但黑猩猩却有48条染色体。除了对于物种进化的重要意义,个体水平上发生的染色体重排往往会导致疾病的发生,如单亲二倍化,不孕不育和儿童白血病等等。因此,在实验室建立精准的染色体重排工程技术,对于研究染色体重排在物种进化、个体生殖发育与疾病中的作用具有重要价值。近些年,随着基因组编辑技术的进展,染色体精准重排率先在基因组组成简单且为单倍体的酵母上获得成功。但是哺乳动物基因组比酵母基因组复杂得多,目前对哺乳动物染色体的重排只限于亚染色体水平,在哺乳动物上进行完整染色体的重排仍然面临巨大挑战。

本研究利用小鼠单倍体干细胞和基因编辑工具,建立了哺乳动物染色体可编程连接技术,成功将最长的染色体1号和2号(哺乳动物染色体通常按照长度由大到小顺序编号)、以及中等长度的5号和4号染色体进行首尾连接,通过染色体DNA-FISH,核型分析,以及HiC等方式进一步确认了染色体的连接,同时发现染色体连接过程中可能会发生染色体的断裂和重新连接。这些结果表明两条独立存在的染色体可以通过基因编辑后非同源末端连接修复的方式连接为同一条染色体,从而首次实现了哺乳动物的完整染色体重排。

在此基础上,研究人员进一步研究了特定染色体重排连接产生的生物学影响。在细胞表型层面上,染色体连接后干细胞的多能性基因表达以及分化没有发生明显的变化,而最长染色体连接(2号和1号染色体连接)的单倍体干细胞二倍化速率显著加快,且已经成为二倍体的胚胎干细胞及神经干细胞中仍会发生自发多倍化。研究证实,该现象是由于染色体长度过长致使细胞分裂异常而导致。也证明了哺乳动物细胞的染色体长度存在一定限制,对小鼠细胞而言,染色体长度上限范围在308.3Mb – 377.6Mb之间。

为了解答特定染色体重排在动物表型层面上的影响,研究人员通过单倍体干细胞注射到卵母细胞的方式获得染色体连接的小鼠。研究发现不同的染色体连接对小鼠产生了不同的影响,其中最长的染色体连接(2号和1号染色体连接)使得胚胎发育不能正常进行,胚胎停滞于 E12.5之前;1号和2号染色体连接后,1号染色体断裂重新连接17号染色体,产生的小鼠则表现出了生长曲线和行为学的异常;4号和5号染色体连接的小鼠则没有表现出明显的异常。连接后的染色体还能够传递到后代小鼠,且进一步交配可以产生纯合小鼠,也就证明了两条染色体的连接不会导致绝对的生殖隔离。但携带连接染色体的小鼠生殖力明显下降,进一步探索发现,连接后的染色体虽然仍然能够与两条分离的同源染色体进行正常联会,但是联会后的同源染色体分离会出现异常。这些发现解析了染色体连接会对动物发育、行为和生殖等产生多方面的影响。

最后,研究人员还综合分析了染色体空间结构在胚胎干细胞、神经干细胞和脑内的变化趋势,发现随着分化的进行,染色体的空间结构变化随着分化而减弱。

该研究首次建立了哺乳动物完整染色体可编程连接的新技术,实现了对于超大规模基因组的编辑,为哺乳动物合成生物学增添了新的研究工具。利用合成生物学“建物致知”的研究思路,借助核型重构的独特细胞和小鼠模型,研究发现了染色体长度的限制,为哺乳动物合成生物学进行染色体设计合成提供了重要参考;揭示了染色体重排对生殖的影响,证明了染色体重排与生殖隔离的相关性,为进化生物学研究提供了新的思路。这项研究也为建立染色体重排疾病的动物模型,研究染色体重排导致的不孕不育和肿瘤等疾病的发病机制提供了新的技术手段。

中国科学院动物研究所博士后王立宾、副研究员李治琨、博士后王乐韵、博士后许凯和博士生季甜甜为本文的共同第一作者。中国科学院动物研究所李伟研究员、周琪研究员为本文共同通讯作者。参与本课题的还有中国科学院动物研究所的毛伊幻、马思楠、刘超、王丽颖、舒由嘉、杨宁以及安诺优达基因科技有限公司的刘涛、涂成芳、赵倩和范旭宁。

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