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最近，中國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物在自然環(huán)境中，經(jīng)過(guò) 100 萬(wàn)年才會(huì)自然出現(xiàn)的基因改變，在更大的時(shí)間尺度上揭示了基因演化對(duì)于生命的意義。

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哺乳動(dòng)物的染色體重排

在細(xì)胞分裂時(shí)，真核生物的 DNA 會(huì)聚合形成染色體，它是一種致密的棒狀結(jié)構(gòu)，由 DNA 纏繞組蛋白后，通過(guò)多種方式折疊形成。在人類(lèi)細(xì)胞中，展開(kāi)后長(zhǎng)達(dá) 2 米的 DNA 序列最終會(huì)被壓縮到 46 條數(shù)微米長(zhǎng)的染色體中。

可以說(shuō)，染色體是 DNA 在特定時(shí)期的存在形式。它出現(xiàn)在細(xì)胞增殖和真核生物繁殖的過(guò)程，參與了細(xì)胞 2 種形式的分裂過(guò)程，分別是有絲分裂和減數(shù)分裂。在這 2 個(gè)過(guò)程中，染色體會(huì)發(fā)生一些改變，如正常的染色體重組（同源染色體之間的交換）和一些不正常的染色體重排，包括染色體易位（非同源染色體之間的交換）、倒位（一段染色體片段翻轉(zhuǎn) 180 度后，插回原來(lái)的位置）、缺失和重復(fù)，以及罕見(jiàn)的不同染色體的融合（兩條染色體連接在一起）。

在自然條件下，生物在演化時(shí)通常需要經(jīng)過(guò)大約 100 萬(wàn)年的時(shí)間，才會(huì)出現(xiàn)一次染色體融合（chromosome fusion）。" 但從更長(zhǎng)的時(shí)間尺度來(lái)看，家鼠通過(guò)染色體重排來(lái)實(shí)現(xiàn)核型（一個(gè)生物體的染色體組）的改變，還比較常見(jiàn)。嚙齒類(lèi)動(dòng)物每百萬(wàn)年有 3.2～3.5 次染色體重排，而靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物是 1.6 次。" 中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所、干細(xì)胞與生殖生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的副研究員李治琨表示，這些微小的改變可能會(huì)產(chǎn)生重大的影響。在靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物中，1.6 次染色體重排造就了人類(lèi)（46 條染色體）和大猩猩（48 條染色體）的差異。

大猩猩的核型中 2 條獨(dú)立的染色體在人類(lèi)的染色體組中是融合的（1 次）。此外，人類(lèi)祖先的 2 條染色體通過(guò)相互易位（0.6 次），產(chǎn)生了大猩猩的 2 條不同的染色體。而單個(gè)個(gè)體的生命歷程中，染色體重排或易位常常意味著不幸，因?yàn)榭赡軐?dǎo)致染色體缺失或多余，進(jìn)而導(dǎo)致罕見(jiàn)病的出現(xiàn)。

8 月 25 日，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所的科學(xué)家在一篇發(fā)表于《科學(xué)》的研究中，開(kāi)發(fā)了一種新的技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物的人工染色體融合（chromosome fusion），在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了家鼠（Mus musculus）需要經(jīng)過(guò) 100 萬(wàn)年的演化，才能出現(xiàn)的基因組改變。

在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家將家鼠胚胎干細(xì)胞中的 4 號(hào)染色體和 5 號(hào)染色體首尾，并得到了具有 Chr4+5 核型的家鼠。圖片源于論文

這項(xiàng)研究成果也提供一個(gè)關(guān)鍵的視角，幫助科學(xué)家觀察染色體重排如何影響物種的演化。這也是首次，科學(xué)家在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中人工實(shí)現(xiàn)了染色體融合，且成功使得實(shí)驗(yàn)室的家鼠具有了新的、可持續(xù)的染色體組。

關(guān)鍵的挑戰(zhàn)

" 正常情況下，實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)的家鼠都具有 40 條染色體。盡管已經(jīng)經(jīng)歷了 100 多年的人工培育，但它們的染色體依然沒(méi)有明顯的改變。" 李治琨說(shuō)道。他還表示，染色體的穩(wěn)定性，能幫助我們理解生命在較短時(shí)間尺度上的基因變化。而擁有了改造染色體的能力，我們才能在更長(zhǎng)的時(shí)間跨度上來(lái)理解物種基因是如何改變，包括如何糾正一些染色體重排，例如異位、融合等。

2018 年，在一篇發(fā)表于《自然》的研究中，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心的覃重軍團(tuán)隊(duì)成功改造了單倍體酵母的染色體組，酵母中原來(lái)的 16 條染色體，進(jìn)行了 15 次融合，并通過(guò)基因編輯技術(shù)去除染色體著絲粒和兩端的端粒，制造出了只具有一條線(xiàn)性染色體的酵母 SY14 菌株，而酵母并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的生殖缺陷。

不過(guò)，科學(xué)家一直沒(méi)有成功將這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)移到哺乳動(dòng)物身上。據(jù)新研究的共同第一作者、中國(guó)科學(xué)院北京干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究所研究員王立賓介紹，研究的挑戰(zhàn)在于需要從未受精的家鼠胚胎中提取干細(xì)胞，這意味著獲得的細(xì)胞僅包含一組染色體。

在二倍體細(xì)胞中，兩組染色體會(huì)通過(guò)排列、協(xié)調(diào)產(chǎn)生生物體的遺傳學(xué)性狀。染色體上存在一些基因印記，對(duì)于等位基因（同源染色體相同位置的一對(duì)基因）來(lái)說(shuō)，顯性基因可能被標(biāo)記為活躍，而隱性基因被標(biāo)記為不活躍。這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)科學(xué)方法來(lái)進(jìn)行操縱，但在此前對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的研究中，人工修改的印記信息并沒(méi)有保留下來(lái)。

" 基因印記經(jīng)常會(huì)丟失，這意味著在單倍體胚胎干細(xì)胞中，哪些基因應(yīng)該活躍的印記信息消失，就會(huì)限制了它們的多能性以及基因改造等，" 王立賓說(shuō)， " 我們最近發(fā)現(xiàn)通過(guò)刪除 3 個(gè)印記區(qū)域，就可以在胚胎干細(xì)胞中建立穩(wěn)定的、類(lèi)似精子的印記模式。" 研究人員通過(guò)基因工程技術(shù)，修改了細(xì)胞中這 3 個(gè)區(qū)域自然的基因印記，并賦予了細(xì)胞人工設(shè)計(jì)的印記模式，使它們能夠促進(jìn)特定的染色體的融合。

他們通過(guò)將胚胎干細(xì)胞中兩條中等大小的染色體—— 4 號(hào)（Chr4）和 5 號(hào)染色體（Chr5）——首尾相連，獲得了一種新的核型 Chr4+5，以及通過(guò) 2 種方式來(lái)連接細(xì)胞中兩條最大的染色體 1 號(hào)（Chr1）和 2 號(hào)染色體（Chr2），獲得了另外 2 種核型，分別是 Chr1+2 和 Chr2+1，從而獲得了具有 3 種不同核型的胚胎干細(xì)胞。

科學(xué)家采取的具體實(shí)驗(yàn)流程：提取單倍體的胚胎干細(xì)胞，對(duì)其進(jìn)行基因和染色體改造，獲得具有新核型的二倍體細(xì)胞，使其發(fā)育成胚胎、個(gè)體。圖片源于論文

研究人員制造出了 3 種新核型的胚胎干細(xì)胞，下圖為連接的染色體在電鏡下的照片。圖片源于論文

由于 Chr1 和 Chr2 連接后形成的染色體過(guò)長(zhǎng)，會(huì)影響染色體的分裂，導(dǎo)致細(xì)胞多倍體化進(jìn)而死亡，他們將 Chr1+2 和 Chr2+1 胚胎干細(xì)胞中的部分染色體片段轉(zhuǎn)移到了 Chr17 上。

在之后的培養(yǎng)中，這些細(xì)胞的基因表達(dá)和野生型家鼠的細(xì)胞并沒(méi)有差別。研究人員將這些細(xì)胞的細(xì)胞核注入到家鼠卵母細(xì)胞中，獲得了形成二倍體的胚胎干細(xì)胞。最終，他們獲得了 113 個(gè) Chr4+5 核型的家鼠胚胎、355 個(gè) Chr1+2 家鼠胚胎以及 365 個(gè) Chr2+1 家鼠胚胎，并將其轉(zhuǎn)移到代孕鼠子宮內(nèi)。

家鼠的改變

他們發(fā)現(xiàn) Chr2+1 胚胎壽命均不足 12.5 天，無(wú)法形成足月的家鼠。Chr1+2 胚胎能發(fā)育成足月的家鼠，但和 Chr4+5 胚胎發(fā)育成的家鼠相比，這些家鼠長(zhǎng)大后體型會(huì)更大，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中表現(xiàn)得更焦慮，且運(yùn)動(dòng)距離更短，運(yùn)動(dòng)速度會(huì)更慢。

只有 2 種新核型的胚胎最終發(fā)育成了足月的家鼠。圖片源于論文

為了了解這種情況出現(xiàn)的原因，研究人員分析了 Chr1+2 家鼠多個(gè)器官中的基因表達(dá)，包括大腦、肺、心臟和肝臟等。在這些器官特異性表達(dá)的 2000 多個(gè)基因中，有 50 多個(gè)基因出現(xiàn)了差異性表達(dá)，而其中有 26.4% 的基因位于 Chr1、Chr2 和 Chr17 上。

具有 Chr4+5 核型的家鼠體型更大，但也更焦慮和笨拙。圖片源于論文

研究人員發(fā)現(xiàn)，存在于 Chr17 上的基因 Capn11 會(huì)表達(dá)一種依賴(lài)鈣離子的蛋白酶，而在家鼠所有的器官中，這個(gè)基因的表達(dá)都下降了。而人工敲除野生家鼠的該基因，也會(huì)導(dǎo)致它們出現(xiàn)和 Chr1+2 家鼠一樣的特征，比如變得更加焦慮。實(shí)際上，Capn11 的功能是因?yàn)?Chr17 的改變而受到了影響。它的功能會(huì)受到其他區(qū)域基因序列的調(diào)控，而 Chr17 的改變會(huì)導(dǎo)致這個(gè)過(guò)程出現(xiàn)異常。

后續(xù)，研究人員還測(cè)試了這些家鼠的生殖能力，只有 Chr4+5 核型的家鼠和野生家鼠交配形成了后代，但成功的幾率比普通的實(shí)驗(yàn)室家鼠低得多。研究人員發(fā)現(xiàn)，生育力減弱是由于染色體在排列后，在細(xì)胞分離過(guò)程中，染色體分離方式異常所引起的。王立賓解釋說(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)證明了染色體重排建立生殖隔離的重要性，這是新物種出現(xiàn)的關(guān)鍵演化標(biāo)志。

" 我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中制造的家鼠會(huì)出現(xiàn)一些異常的行為，有的會(huì)在出生后過(guò)度生長(zhǎng)等，而另一些會(huì)顯示出繁殖力下降。這些現(xiàn)象均表明，盡管實(shí)驗(yàn)中我們對(duì)遺傳信息的改變比較有限，但動(dòng)物染色體的融合可能會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，" 李說(shuō)。 " 在實(shí)驗(yàn)室家鼠模型中，我們通過(guò)一個(gè)能固定單倍體胚胎干細(xì)胞基因印記的平臺(tái)和基因編輯，證明染色體重排事件是物種進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力，對(duì)物種間的生殖隔離形成很重要，這也大規(guī)模工程化哺乳動(dòng)物中的 DNA 提供了一個(gè)潛在的途徑。"

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