成功模擬漫長演化的染色體重排事件 邁出哺乳動物染色體重排改造關鍵一步
發表于 2025-12-07 18:50:05
來源：
骨軟筋酥網
類精子干細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）據中國科學院分子細胞科學卓越創新中心(生物化學與細胞生物學研究所)：9月21日，國際學術期刊Cell Research在線發表了中國科學院分子細胞科學卓越創新中心（生物化學與細胞生物學研究所）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，報道了基于類精子干細胞介導半克隆技術，演化通過CRISPR/Cas9靶向染色體重復序列，染動物實現小鼠染色體融合改造，色體事件建立全新的重排造關穩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制，并提示真核生物基因組組裝的染色系統穩健性（Robustness）是染色體演化的重要基礎。
染色體的體重穩定與變化是個體生存和物種演化的基礎，是排改遺傳物質宏觀調控規律的一體兩面，染色體數目和結構的鍵步變異常常對個體造成不利影響，而新物種的成功形成往往又伴隨復雜的染色體結構演化。基于系統生物學研究，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物共同祖先內部產生了染色體結構上的分異，兩條獨立的染色體通過頭對頭（類似羅氏易位，Robertsonian translocation）方式融合成為現代人的二號染色體（HSA2），這一改變可能直接導致了人類始祖與黑猩猩始祖之間的生殖隔離，成為人類物種進化的關鍵性事件。然而，這一事件發生的具體機制并不清楚。
實驗室常用的小鼠（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目和結構穩定，除Y染色體外，均為端著絲粒染色體（單臂染色體），這一點與人類染色體差異巨大，人類染色體中并未發現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道。這引起了一系列思考，染色體融合是如何發生的？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胞和個體的生命活動？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，中國科學家團隊在國際上率先實現基于酵母的大規模染色體改造，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，但是面對更為復雜的哺乳動物，在個體水平改造染色體在技術上面臨很大的困難和挑戰。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，攻克哺乳動物染色體結構變異建模是重要的任務，而我國科學家獨創的類精子干細胞技術，為實現哺乳動物個體水平染色體改造投來了光亮。2022年8月26日，中科院動物研究所團隊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）。
李勁松研究團隊針對著絲粒核心基序Minor satellite（MinSat）設計了基于CRISPR/Cas9的靶向編輯方案，實現對著絲粒區域的靶向切割。將這樣的著絲粒靶向切割系統轉染到小鼠類精子干細胞中，可以實現對小鼠兩條染色體在著絲粒區域以“頭對頭”融合的方式發生羅氏易位，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生的染色體重排事件。研究人員從1128個轉染著絲粒切割組件的單克隆細胞系中，建立了10株具有穩定的19條染色體的單倍體細胞系，其中有9株細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新的著絲粒，但是有趣的是，研究人員發現，所有和小鼠二號染色體（Chr2）發生羅氏移位之后形成的雙臂染色體具有兩個獨立的著絲粒（MinSat富集區域）。進一步分析，研究人員發現，小鼠Chr2與其他染色體不同，在染色體末端就具有兩個著絲粒。由于雙著絲粒染色體會造成在有絲分裂中存在不穩定性，容易造成染色體斷裂和基因組不穩定性。進一步分析發現，小鼠Chr2具有一個活化的著絲粒和一個失活的著絲粒。這一發現也暗示了小鼠Chr2染色體和其他染色體相比在進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胞的生命活動有什么樣的影響呢？研究人員對具有不同羅氏易位的細胞系進行轉錄組測序分析，結果令人驚訝，攜帶單條羅氏易位染色體的“類精子干細胞”只具有最多不超過20個差異基因，這說明染色體“頭對頭”的融合方式對細胞表達譜擾動極小，有趣的是差異基因同時分布在參與融合和其余未參與融合的染色體上。
考慮到3D基因組結構對轉錄調控和進化都是重要的，研究人員考察了染色體融合對3D基因組結構的影響。羅氏易位細胞系和Wild-type細胞系比起來，A/B compartment和TAD高度相似，此外接近90%的染色質之間的顯著相互作用可以在羅氏易位細胞系和Wild-type細胞系中同時被檢測到。染色體融合直接拉進了兩條染色體的物理距離，表現為兩條染色體之間相互作用更加頻繁，有趣的是，在著絲粒區域以及端粒區域，這種相互作用增強的趨勢更加明顯。此外，研究人員還發現，小鼠Chr11與其余染色體相互作用在發生染色體融合后表現出較強的變化，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構和基因表達調控影響較小，這也說明細胞內基因組結構以及表達調控存在穩態調控，體現系統穩健性（Robustness）。
類精子干細胞具有替代精子使卵母細胞“受精”的能力，將染色體融合改造的類精子干細胞注入卵子后可以產生健康“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，在實驗室條件下實現了哺乳動物的核型演化事件。本項研究中，研究人員一共成功建立了四個獨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胞上進行疊加切割，產生了二重甚至三重染色體融合的類精子干細胞。有趣的是，隨著染色體融合事件的疊加，細胞差異基因數目逐漸增加，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錄組整體水平的擾動。令人驚喜的是，多重融合的類精子干細胞作為父源遺傳物質供體依然可以支持半克隆小鼠的產生，一步實現多重染色體融合小鼠模型的建立。
綜上所述，本研究證實著絲粒的斷裂導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穩健性（Robustness）是染色體演化的重要基礎。該研究也為哺乳動物進行染色體結構的改造、動物新核型亞種的創造以及染色體結構變異疾病的模擬提供了可行的技術路線，開啟了以小鼠為代表的哺乳動物染色體遺傳改造的新領域。
分子細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物實驗技術平臺和細胞分析技術平臺的大力支持，并獲科技部、基金委、中科院以及上海市科委等部門的經費支持。（原標題：李勁松組構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
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（神秘的地球uux.cn）據中國科學報（張雙虎 黃辛）：近日，中科院院士、中科院分子細胞科學卓越創新中心（生物化學與細胞生物學研究所）研究員李勁松研究組開發出基于類精子干細胞技術的小鼠染色體改造研究系統。利用該技術，可以建立染色體融合小鼠品系，成功模擬了自然界中經由漫長時間演化才會發生的染色體重排事件，為實現哺乳動物的染色體重排改造邁出關鍵一步。9月21日，相關研究成果在線發表于《細胞研究》。
染色體數目和結構穩定是物種生存和繁衍的基礎，而新物種的形成往往又伴隨著復雜的染色體結構變化。例如，現代人演化的關鍵正是源于人與黑猩猩的共同祖先體內兩條染色體的頭對頭融合。染色體頭對頭的融合是如何發生的？染色體融合對生物體有何影響和意義？為了回答這些問題，科學家需要對生物體的染色體進行改造。
哺乳動物高度復雜，在哺乳動物身上改造染色體技術面臨很大的困難和挑戰，而我國科學家獨創的類精子干細胞介導半克隆技術，為實現哺乳動物個體水平染色體改造帶來了曙光。
實驗室常用小鼠有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胞中利用CRISPR-Cas9技術針對著絲粒進行靶向切割，實現了兩條染色體 “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”形成一個新的著絲粒，但所有和小鼠二號染色體發生融合形成的雙臂染色體都具有兩個獨立的著絲粒。
研究人員分析發現，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活化的著絲粒和一個失活的著絲粒。和其他染色體相比，小鼠二號染色體進化歷程中的著絲粒形成或許“與眾不同”。
進一步研究發現，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以及整體基因組三維結構影響很小。
“換言之，染色體作為基因組的‘零部件’，少數變化不會干擾基因組在生物體內的正常‘工作’。”該論文共同第一作者、中國科學院分子細胞科學卓越創新中心博士后張曉宇對《中國科學報》說。
類精子干細胞可以充當精子產生健康“半克隆”小鼠，進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胞技術可以實現染色體的多重融合并產生相應的小鼠。
該研究證實著絲粒斷裂導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健性是染色體演化的重要基礎,為構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路線，開啟了哺乳動物染色體遺傳改造的新領域。
“人與黑猩猩的共同祖先體內兩條染色體的‘頭對頭’融合是現代人演化的關鍵事件。所以該研究非常有意義，未來可以構建染色體改造小鼠模型用于探討疾病和演化。”李勁松說。 |
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