首次全球实现哺乳动物完整染色体可编程连接

  【科技前沿】

  8月26日，国际学术期刊《科学》在线发表一项我国科学家的开创性成果——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，在全球首次实现了哺乳动物完整染色体的可编程连接，并创造出具有全新核型（染色体组型）的小鼠。

  有评论认为，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。

首次实现哺乳动物的完整染色体重排

  要想理解这项成果，首先要了解一个概念——染色体重排（Chromosomal Rearrangement）。李伟介绍，染色体重排是指染色体发生断裂，并与别的染色体相连构成新的染色体。

  在漫长的生物演化过程中，染色体重排是导致生物产生了质的改变和飞跃的重要因素。但对于个体而言，染色体重排更多是带来疾病——某些类型的儿童白血病、不孕不育等疾病都是由染色体重排导致的。

  了解染色体重排的奥秘，就能进一步揭示人类演化的奥秘，也能在多种疾病的治疗上取得飞跃。因此，染色体重排成为生物学家研究的焦点领域。近年来，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。但因为哺乳动物基因组比酵母基因组复杂得多，在哺乳动物上进行完整染色体的重排仍然没有成功实现。

  中国科学家经过多年的努力，在全球首次实现了哺乳动物的完整染色体重排，取得了合成生物学上新的突破。“我们的研究打破了技术瓶颈，利用小鼠单倍体胚胎干细胞和CRISPR基因编辑工具，成功将最长的染色体1号和2号进行正反连接，以及将中等长度的5号和4号染色体进行首尾连接，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。”李伟说，“研究结果表明，来自小鼠的两条独立存在的染色体在基因编辑后，可以以非同源末端连接修复的方式连接为一条染色体。”

在了解进化、设计生命、疾病治疗等方面将产生巨大影响

  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影响。

  首先，研究人员证实哺乳动物细胞的染色体并不是越长越好，过长会致使细胞分裂异常。李伟介绍，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。“这一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。”

  其次，科研人员“创造”出了具有全新独特染色体组型的小鼠。李伟介绍，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，成功得到染色体连接的小鼠——它看似与普通小鼠无异，实则拥有世界不曾存在、全新独特的染色体组型。

  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；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。

  同时，连接后的染色体还能够传递给后代，且进一步交配可以产生纯合小鼠。李伟说：“这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。”

  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。研究发现，染色体的空间结构变化随着分化而减弱。

  李伟表示，这一研究严格遵守我国法律法规和国家有关规定，并符合我国及国际通行伦理准则。“我们的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。同时，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；通过在实验室小鼠模型中重构染色体重排事件，帮助理解进化衍生的染色体融合，也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。而染色体精准重排技术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、探索疾病的治疗提供了新的技术手段。”

  （本报北京8月26日电 本报记者 齐芳）