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我科學(xué)家開辟哺乳動(dòng)物染色體編輯新領(lǐng)域

首次全球?qū)崿F(xiàn)哺乳動(dòng)物完整染色體可編程連接

光明日?qǐng)?bào)記者?齊芳

8月26日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表一項(xiàng)我國(guó)科學(xué)家的開創(chuàng)性成果——中國(guó)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，在全球首次實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物完整染色體的可編程連接，并創(chuàng)造出具有全新核型（染色體組型）的小鼠。

有評(píng)論認(rèn)為，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(duì)其生長(zhǎng)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)。

首次實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物的完整染色體重排

要想理解這項(xiàng)成果，首先要了解一個(gè)概念——染色體重排（Chromosomal?Rearrangement）。李偉介紹，染色體重排是指染色體發(fā)生斷裂，并與別的染色體相連構(gòu)成新的染色體。

在漫長(zhǎng)的生物演化過(guò)程中，染色體重排是導(dǎo)致生物產(chǎn)生了質(zhì)的改變和飛躍的重要因素。但對(duì)于個(gè)體而言，染色體重排更多是帶來(lái)疾病——某些類型的兒童白血病、不孕不育等疾病都是由染色體重排導(dǎo)致的。

了解染色體重排的奧秘，就能進(jìn)一步揭示人類演化的奧秘，也能在多種疾病的治療上取得飛躍。因此，染色體重排成為生物學(xué)家研究的焦點(diǎn)領(lǐng)域。近年來(lái)，染色體精準(zhǔn)重排率先在基因組組成簡(jiǎn)單且為單倍體的酵母上獲得成功。但因?yàn)椴溉閯?dòng)物基因組比酵母基因組復(fù)雜得多，在哺乳動(dòng)物上進(jìn)行完整染色體的重排仍然沒有成功實(shí)現(xiàn)。

中國(guó)科學(xué)家經(jīng)過(guò)多年的努力，在全球首次實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物的完整染色體重排，取得了合成生物學(xué)上新的突破。“我們的研究打破了技術(shù)瓶頸，利用小鼠單倍體胚胎干細(xì)胞和CRISPR基因編輯工具，成功將最長(zhǎng)的染色體1號(hào)和2號(hào)進(jìn)行正反連接，以及將中等長(zhǎng)度的5號(hào)和4號(hào)染色體進(jìn)行首尾連接，同時(shí)發(fā)現(xiàn)染色體連接過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生染色體的斷裂和重新連接。”李偉說(shuō)，“研究結(jié)果表明，來(lái)自小鼠的兩條獨(dú)立存在的染色體在基因編輯后，可以以非同源末端連接修復(fù)的方式連接為一條染色體。”

在了解進(jìn)化、設(shè)計(jì)生命、疾病治療等方面將產(chǎn)生巨大影響

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)生的影響。

首先，研究人員證實(shí)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的染色體并不是越長(zhǎng)越好，過(guò)長(zhǎng)會(huì)致使細(xì)胞分裂異常。李偉介紹，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)生明顯變化，而最長(zhǎng)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。“這一現(xiàn)象是由于染色體長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)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(zhǎng)度存在一定限制，對(duì)小鼠細(xì)胞而言，染色體長(zhǎng)度上限范圍在308.3Mb~377.6Mb之間。”

其次，科研人員“創(chuàng)造”出了具有全新獨(dú)特染色體組型的小鼠。李偉介紹，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(guò)單倍體干細(xì)胞注射到卵母細(xì)胞的方式，成功得到染色體連接的小鼠——它看似與普通小鼠無(wú)異，實(shí)則擁有世界不曾存在、全新獨(dú)特的染色體組型。

研究發(fā)現(xiàn)，不同的染色體連接對(duì)小鼠產(chǎn)生了不同的影響，其中最長(zhǎng)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；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)生的小鼠表現(xiàn)出了生長(zhǎng)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。

同時(shí)，連接后的染色體還能夠傳遞給后代，且進(jìn)一步交配可以產(chǎn)生純合小鼠。李偉說(shuō)：“這就證明了兩條染色體的連接不會(huì)導(dǎo)致絕對(duì)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。”

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(shì)。研究發(fā)現(xiàn)，染色體的空間結(jié)構(gòu)變化隨著分化而減弱。

李偉表示，這一研究嚴(yán)格遵守我國(guó)法律法規(guī)和國(guó)家有關(guān)規(guī)定，并符合我國(guó)及國(guó)際通行倫理準(zhǔn)則。“我們的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(duì)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。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)了染色體長(zhǎng)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；通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室小鼠模型中重構(gòu)染色體重排事件，幫助理解進(jìn)化衍生的染色體融合，也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。而染色體精準(zhǔn)重排技術(shù)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、探索疾病的治療提供了新的技術(shù)手段。”

（光明日?qǐng)?bào)北京8月26日電）

《光明日?qǐng)?bào)》（ 2022年08月27日?04版）