類精子干細(xì)胞中小鼠二號染色體和X染色體以頭對頭形式融合形成雙臂染色體（紅色：端粒；白色：著絲粒：綠色：近著絲粒）
（神秘的成功地球uux.cn）據(jù)中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心(生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所)：9月21日，國際學(xué)術(shù)期刊Cell Research在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）李勁松研究組題為“Creation of artificial karyotypes in mice reveals robustness of genome organization”的模擬漫長邁出文章，報(bào)道了基于類精子干細(xì)胞介導(dǎo)半克隆技術(shù)，演化廈門約美女上門提供高端外圍女真實(shí)安排vx《749-3814》提供外圍女上門服務(wù)快速選照片快速安排不收定金面到付款30分鐘可到達(dá)通過CRISPR/Cas9靶向染色體重復(fù)序列，染動(dòng)物實(shí)現(xiàn)小鼠染色體融合改造，色體事件建立全新的重排造關(guān)穩(wěn)定傳遞的染色體改造純和小鼠品系，揭示了染色體融合的哺乳機(jī)制，并提示真核生物基因組組裝的染色系統(tǒng)穩(wěn)健性（Robustness）是染色體演化的重要基礎(chǔ)。
染色體的體重穩(wěn)定與變化是個(gè)體生存和物種演化的基礎(chǔ)，是排改遺傳物質(zhì)宏觀調(diào)控規(guī)律的一體兩面，染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)的鍵步變異常常對個(gè)體造成不利影響，而新物種的成功形成往往又伴隨復(fù)雜的染色體結(jié)構(gòu)演化。基于系統(tǒng)生物學(xué)研究，模擬漫長邁出距今約3到4百萬年前，演化人與黑猩猩的染動(dòng)物共同祖先內(nèi)部產(chǎn)生了染色體結(jié)構(gòu)上的分異，兩條獨(dú)立的染色體通過頭對頭（類似羅氏易位，Robertsonian translocation）方式融合成為現(xiàn)代人的二號染色體（HSA2），這一改變可能直接導(dǎo)致了人類始祖與黑猩猩始祖之間的生殖隔離，成為人類物種進(jìn)化的關(guān)鍵性事件。然而，廈門約美女上門提供高端外圍女真實(shí)安排vx《749-3814》提供外圍女上門服務(wù)快速選照片快速安排不收定金面到付款30分鐘可到達(dá)這一事件發(fā)生的具體機(jī)制并不清楚。
實(shí)驗(yàn)室常用的小鼠（Mus musculus）的核型為40條染色體，在長期配繁過程中保持染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，除Y染色體外，均為端著絲粒染色體（單臂染色體），這一點(diǎn)與人類染色體差異巨大，人類染色體中并未發(fā)現(xiàn)端著絲粒染色體的存在，而均以雙臂染色體形式存在（包括近端著絲粒染色體）。但是，在自然界中野生小鼠存在較為廣泛的染色體羅氏易位類型（端著絲粒染色體頭對頭融合）亞種，有趣的是，自然界中羅氏易位類型分布很不均衡，例如Rb（2，4）（2號和4號染色體融合）融合類型和Rb（5，15）等融合類型在亞洲，歐洲美洲各地廣泛分布，但是Rb（1，13）和Rb（2，9）等融合類型目前在自然界中尚未見報(bào)道。這引起了一系列思考，染色體融合是如何發(fā)生的？為什么小鼠的染色體演化存在端著絲粒偏好性？不同類型的染色體融合方式是否影響了細(xì)胞和個(gè)體的生命活動(dòng)？如何可以將小鼠的單臂染色體改造成更像人類染色體的雙臂染色體？
2018年，中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在國際上率先實(shí)現(xiàn)基于酵母的大規(guī)模染色體改造，利用頭對尾的融合方式成功將酵母染色體合并為一條，為染色體重排改造研究打開了一扇窗，但是面對更為復(fù)雜的哺乳動(dòng)物，在個(gè)體水平改造染色體在技術(shù)上面臨很大的困難和挑戰(zhàn)。可以說在單基因突變和多基因突變遺傳均可以高效建模的今天，攻克哺乳動(dòng)物染色體結(jié)構(gòu)變異建模是重要的任務(wù)，而我國科學(xué)家獨(dú)創(chuàng)的類精子干細(xì)胞技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物個(gè)體水平染色體改造投來了光亮。2022年8月26日，中科院動(dòng)物研究所團(tuán)隊(duì)利用相似的頭對尾的融合方式成功獲得了三只19對染色體的小鼠（Science）。
李勁松研究團(tuán)隊(duì)針對著絲粒核心基序Minor satellite（MinSat）設(shè)計(jì)了基于CRISPR/Cas9的靶向編輯方案，實(shí)現(xiàn)對著絲粒區(qū)域的靶向切割。將這樣的著絲粒靶向切割系統(tǒng)轉(zhuǎn)染到小鼠類精子干細(xì)胞中，可以實(shí)現(xiàn)對小鼠兩條染色體在著絲粒區(qū)域以“頭對頭”融合的方式發(fā)生羅氏易位，形成雙臂染色體，成功模擬了自然界中在漫長演化過程中發(fā)生的染色體重排事件。研究人員從1128個(gè)轉(zhuǎn)染著絲粒切割組件的單克隆細(xì)胞系中，建立了10株具有穩(wěn)定的19條染色體的單倍體細(xì)胞系，其中有9株細(xì)胞系保持有基因組倍性平衡。
染色體著絲粒斷裂融合形成了一個(gè)新的著絲粒，但是有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，所有和小鼠二號染色體（Chr2）發(fā)生羅氏移位之后形成的雙臂染色體具有兩個(gè)獨(dú)立的著絲粒（MinSat富集區(qū)域）。進(jìn)一步分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，小鼠Chr2與其他染色體不同，在染色體末端就具有兩個(gè)著絲粒。由于雙著絲粒染色體會造成在有絲分裂中存在不穩(wěn)定性，容易造成染色體斷裂和基因組不穩(wěn)定性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，小鼠Chr2具有一個(gè)活化的著絲粒和一個(gè)失活的著絲粒。這一發(fā)現(xiàn)也暗示了小鼠Chr2染色體和其他染色體相比在進(jìn)化歷程中存在著特殊的著絲粒形成事件。
染色體融合事件對于細(xì)胞的生命活動(dòng)有什么樣的影響呢？研究人員對具有不同羅氏易位的細(xì)胞系進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序分析，結(jié)果令人驚訝，攜帶單條羅氏易位染色體的“類精子干細(xì)胞”只具有最多不超過20個(gè)差異基因，這說明染色體“頭對頭”的融合方式對細(xì)胞表達(dá)譜擾動(dòng)極小，有趣的是差異基因同時(shí)分布在參與融合和其余未參與融合的染色體上。
考慮到3D基因組結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)錄調(diào)控和進(jìn)化都是重要的，研究人員考察了染色體融合對3D基因組結(jié)構(gòu)的影響。羅氏易位細(xì)胞系和Wild-type細(xì)胞系比起來，A/B compartment和TAD高度相似，此外接近90%的染色質(zhì)之間的顯著相互作用可以在羅氏易位細(xì)胞系和Wild-type細(xì)胞系中同時(shí)被檢測到。染色體融合直接拉進(jìn)了兩條染色體的物理距離，表現(xiàn)為兩條染色體之間相互作用更加頻繁，有趣的是，在著絲粒區(qū)域以及端粒區(qū)域，這種相互作用增強(qiáng)的趨勢更加明顯。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，小鼠Chr11與其余染色體相互作用在發(fā)生染色體融合后表現(xiàn)出較強(qiáng)的變化，即使其未參與到染色體融合事件。總體來講，染色體融合對基因組結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)調(diào)控影響較小，這也說明細(xì)胞內(nèi)基因組結(jié)構(gòu)以及表達(dá)調(diào)控存在穩(wěn)態(tài)調(diào)控，體現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)健性（Robustness）。
類精子干細(xì)胞具有替代精子使卵母細(xì)胞“受精”的能力，將染色體融合改造的類精子干細(xì)胞注入卵子后可以產(chǎn)生健康“半克隆”小鼠，并可以通過繁育獲得攜帶純和融合染色體的小鼠品系，在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物的核型演化事件。本項(xiàng)研究中，研究人員一共成功建立了四個(gè)獨(dú)立的純和染色體融合小鼠品系，雌雄純和小鼠可自由配繁穩(wěn)定傳遞融合染色體。
接下來研究人員嘗試了在單重染色體融合的類精子干細(xì)胞上進(jìn)行疊加切割，產(chǎn)生了二重甚至三重染色體融合的類精子干細(xì)胞。有趣的是，隨著染色體融合事件的疊加，細(xì)胞差異基因數(shù)目逐漸增加，這些基因同樣也分布在參與融合和未參與融合的染色體上，這暗示了染色體融合事件的累積帶來轉(zhuǎn)錄組整體水平的擾動(dòng)。令人驚喜的是，多重融合的類精子干細(xì)胞作為父源遺傳物質(zhì)供體依然可以支持半克隆小鼠的產(chǎn)生，一步實(shí)現(xiàn)多重染色體融合小鼠模型的建立。
綜上所述，本研究證實(shí)著絲粒的斷裂導(dǎo)致的染色體融合是染色體演化的原因，真核生物基因組組裝的系統(tǒng)穩(wěn)健性（Robustness）是染色體演化的重要基礎(chǔ)。該研究也為哺乳動(dòng)物進(jìn)行染色體結(jié)構(gòu)的改造、動(dòng)物新核型亞種的創(chuàng)造以及染色體結(jié)構(gòu)變異疾病的模擬提供了可行的技術(shù)路線，開啟了以小鼠為代表的哺乳動(dòng)物染色體遺傳改造的新領(lǐng)域。
分子細(xì)胞卓越中心李勁松研究員為本文通訊作者，博士后張曉宇、晏萌,博士生楊振華、向浩為共同第一作者。該工作獲得分子細(xì)胞卓越中心唐蔚主管、柳欣研究員、裴鋼院士的大力支持。該工作也得到中心動(dòng)物實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺和細(xì)胞分析技術(shù)平臺的大力支持，并獲科技部、基金委、中科院以及上海市科委等部門的經(jīng)費(fèi)支持。（原標(biāo)題：李勁松組構(gòu)建染色體融合小鼠模型、模擬染色體演化過程）
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41422-022-00722-x
相關(guān)：科學(xué)家成功模擬漫長演化的染色體重排事件 邁出哺乳動(dòng)物染色體重排改造關(guān)鍵一步
（神秘的地球uux.cn）據(jù)中國科學(xué)報(bào)（張雙虎 黃辛）：近日，中科院院士、中科院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）研究員李勁松研究組開發(fā)出基于類精子干細(xì)胞技術(shù)的小鼠染色體改造研究系統(tǒng)。利用該技術(shù)，可以建立染色體融合小鼠品系，成功模擬了自然界中經(jīng)由漫長時(shí)間演化才會發(fā)生的染色體重排事件，為實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物的染色體重排改造邁出關(guān)鍵一步。9月21日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《細(xì)胞研究》。
染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是物種生存和繁衍的基礎(chǔ)，而新物種的形成往往又伴隨著復(fù)雜的染色體結(jié)構(gòu)變化。例如，現(xiàn)代人演化的關(guān)鍵正是源于人與黑猩猩的共同祖先體內(nèi)兩條染色體的頭對頭融合。染色體頭對頭的融合是如何發(fā)生的？染色體融合對生物體有何影響和意義？為了回答這些問題，科學(xué)家需要對生物體的染色體進(jìn)行改造。
哺乳動(dòng)物高度復(fù)雜，在哺乳動(dòng)物身上改造染色體技術(shù)面臨很大的困難和挑戰(zhàn)，而我國科學(xué)家獨(dú)創(chuàng)的類精子干細(xì)胞介導(dǎo)半克隆技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物個(gè)體水平染色體改造帶來了曙光。
實(shí)驗(yàn)室常用小鼠有20對染色體，除Y染色體外，其余的染色體均為單臂染色體，形似字母“U”，著絲粒位于U形的底端。研究人員在類精子干細(xì)胞中利用CRISPR-Cas9技術(shù)針對著絲粒進(jìn)行靶向切割，實(shí)現(xiàn)了兩條染色體 “頭對頭”的融合，形成攜帶一條X形雙臂染色體的類精子干細(xì)胞。
將兩條染色體的著絲粒分別“切割”后再融合會“拼接”形成一個(gè)新的著絲粒，但所有和小鼠二號染色體發(fā)生融合形成的雙臂染色體都具有兩個(gè)獨(dú)立的著絲粒。
研究人員分析發(fā)現(xiàn)，小鼠二號染色體與其他染色體不同，在染色體末端本身就具有一個(gè)活化的著絲粒和一個(gè)失活的著絲粒。和其他染色體相比，小鼠二號染色體進(jìn)化歷程中的著絲粒形成或許“與眾不同”。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，染色體融合會在空間上拉近兩條融合染色體，但是對整體基因組的表達(dá)以及整體基因組三維結(jié)構(gòu)影響很小。
“換言之，染色體作為基因組的‘零部件’，少數(shù)變化不會干擾基因組在生物體內(nèi)的正常‘工作’。”該論文共同第一作者、中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后張曉宇對《中國科學(xué)報(bào)》說。
類精子干細(xì)胞可以充當(dāng)精子產(chǎn)生健康“半克隆”小鼠，進(jìn)一步通過繁育獲得了一系列攜帶一對融合染色體的小鼠品系（19對染色體）。最后，研究人員證明類精子干細(xì)胞技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)染色體的多重融合并產(chǎn)生相應(yīng)的小鼠。
該研究證實(shí)著絲粒斷裂導(dǎo)致的染色體融合是染色體演化的重要原因，真核生物基因組的穩(wěn)健性是染色體演化的重要基礎(chǔ),為構(gòu)建染色體改造小鼠模型用于探討疾病和演化提供了可行的技術(shù)路線，開啟了哺乳動(dòng)物染色體遺傳改造的新領(lǐng)域。
“人與黑猩猩的共同祖先體內(nèi)兩條染色體的‘頭對頭’融合是現(xiàn)代人演化的關(guān)鍵事件。所以該研究非常有意義，未來可以構(gòu)建染色體改造小鼠模型用于探討疾病和演化。”李勁松說。
作者:焦點(diǎn)
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