2022年8月26日，Science 雜志在線發(fā)表了中國科學(xué)院動(dòng)物研究所、北京干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究院李偉研究員與周琪研究員團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)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(xiàng)工作意味著生物工程技術(shù)的再次突破，為深入認(rèn)識(shí)哺乳動(dòng)物染色體大規(guī)模重構(gòu)等結(jié)構(gòu)變異對其生長發(fā)育、繁殖演化、乃至物種形成等的分子機(jī)制，開拓了“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(tái)。 

　　染色體是遺傳物質(zhì)DNA的主要載體，其在細(xì)胞中的組成及形態(tài)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(huì)發(fā)生重排（Chromosomal Rearrangement），嚙齒類動(dòng)物每百萬年就會(huì)積累3.2-3.5種染色體重排，而靈長類動(dòng)物在每百萬年也會(huì)積累1.6種染色體重排。最典型的例子是靈長類動(dòng)物進(jìn)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(hào)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。除了對于物種進(jìn)化的重要意義，個(gè)體水平上發(fā)生的染色體重排往往會(huì)導(dǎo)致疾病的發(fā)生，如單親二倍化，不孕不育和兒童白血病等等。因此，在實(shí)驗(yàn)室建立精準(zhǔn)的染色體重排工程技術(shù)，對于研究染色體重排在物種進(jìn)化、個(gè)體生殖發(fā)育與疾病中的作用具有重要價(jià)值。近些年，隨著基因組編輯技術(shù)的進(jìn)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(dòng)物基因組比酵母基因組復(fù)雜得多，目前對哺乳動(dòng)物染色體的重排只限于亞染色體水平，在哺乳動(dòng)物上進(jìn)行完整染色體的重排仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

　　本研究利用小鼠單倍體干細(xì)胞和基因編輯工具，建立了哺乳動(dòng)物染色體可編程連接技術(shù)，成功將最長的染色體1號(hào)和2號(hào)（哺乳動(dòng)物染色體通常按照長度由大到小順序編號(hào)）、以及中等長度的5號(hào)和4號(hào)染色體進(jìn)行首尾連接，通過染色體DNA-FISH，核型分析，以及HiC等方式進(jìn)一步確認(rèn)了染色體的連接，同時(shí)發(fā)現(xiàn)染色體連接過程中可能會(huì)發(fā)生染色體的斷裂和重新連接。這些結(jié)果表明兩條獨(dú)立存在的染色體可以通過基因編輯后非同源末端連接修復(fù)的方式連接為同一條染色體，從而首次實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物的完整染色體重排。

　　在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步研究了特定染色體重排連接產(chǎn)生的生物學(xué)影響。在細(xì)胞表型層面上，染色體連接后干細(xì)胞的多能性基因表達(dá)以及分化沒有發(fā)生明顯的變化，而最長染色體連接（2號(hào)和1號(hào)染色體連接）的單倍體干細(xì)胞二倍化速率顯著加快，且已經(jīng)成為二倍體的胚胎干細(xì)胞及神經(jīng)干細(xì)胞中仍會(huì)發(fā)生自發(fā)多倍化。研究證實(shí)，該現(xiàn)象是由于染色體長度過長致使細(xì)胞分裂異常而導(dǎo)致。也證明了哺乳動(dòng)物細(xì)胞的染色體長度存在一定限制，對小鼠細(xì)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(dòng)物表型層面上的影響，研究人員通過單倍體干細(xì)胞注射到卵母細(xì)胞的方式獲得染色體連接的小鼠。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(hào)和1號(hào)染色體連接）使得胚胎發(fā)育不能正常進(jìn)行，胚胎停滯于 E12.5之前；1號(hào)和2號(hào)染色體連接后，1號(hào)染色體斷裂重新連接17號(hào)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(hào)和5號(hào)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(jìn)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(huì)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(jìn)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(jìn)行正常聯(lián)會(huì)，但是聯(lián)會(huì)后的同源染色體分離會(huì)出現(xiàn)異常。這些發(fā)現(xiàn)解析了染色體連接會(huì)對動(dòng)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(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞和腦內(nèi)的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)隨著分化的進(jìn)行，染色體的空間結(jié)構(gòu)變化隨著分化而減弱。

　　該研究首次建立了哺乳動(dòng)物完整染色體可編程連接的新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對于超大規(guī)模基因組的編輯，為哺乳動(dòng)物合成生物學(xué)增添了新的研究工具。利用合成生物學(xué)“建物致知”的研究思路，借助核型重構(gòu)的獨(dú)特細(xì)胞和小鼠模型，研究發(fā)現(xiàn)了染色體長度的限制，為哺乳動(dòng)物合成生物學(xué)進(jìn)行染色體設(shè)計(jì)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(guān)性，為進(jìn)化生物學(xué)研究提供了新的思路。這項(xiàng)研究也為建立染色體重排疾病的動(dòng)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(jī)制提供了新的技術(shù)手段。

　　中國科學(xué)院動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dá)基因科技有限公司的劉濤、涂成芳、趙倩和范旭寧。

　　原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm1964