首次全球實現哺乳動物完整染色體可編程連接

【科技前沿】

8月26日，國際學術期刊《科學》在線發表一項我國科學家的開創性成果——中國科學院動物研究所、北京幹細胞與再生醫學研究院李偉研究員與周琪研究員團隊合作，在全球首次實現了哺乳動物完整染色體的可編程連接，並創造出具有全新核型（染色體組型）的小鼠。

有評論認為，這項工作意味着生物工程技術的再次突破，為深入認識哺乳動物染色體大規模重構等結構變異對其生長發育、繁殖演化乃至物種形成等的分子機制開拓了“建物致知”的合成生物學研究策略，並奠定了相應的技術平台。

首次實現哺乳動物的完整染色體重排

要想理解這項成果，首先要了解一個概念——染色體重排（Chromosomal Rearrangement）。李偉介紹，染色體重排是指染色體發生斷裂，並與別的染色體相連構成新的染色體。

在漫長的生物演化過程中，染色體重排是導致生物產生了質的改變和飛躍的重要因素。但對於個體而言，染色體重排更多是帶來疾病——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致的。

瞭解染色體重排的奧秘，就能進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家研究的焦點領域。近年來，染色體精準重排率先在基因組組成簡單且為單倍體的酵母上獲得成功。但因為哺乳動物基因組比酵母基因組複雜得多，在哺乳動物上進行完整染色體的重排仍然沒有成功實現。

中國科學家經過多年的努力，在全球首次實現了哺乳動物的完整染色體重排，取得了合成生物學上新的突破。“我們的研究打破了技術瓶頸，利用小鼠單倍體胚胎幹細胞和CRISPR基因編輯工具，成功將最長的染色體1號和2號進行正反連接，以及將中等長度的5號和4號染色體進行首尾連接，同時發現染色體連接過程中可能會發生染色體的斷裂和重新連接。”李偉説，“研究結果表明，來自小鼠的兩條獨立存在的染色體在基因編輯後，可以以非同源末端連接修復的方式連接為一條染色體。”

在瞭解進化、設計生命、疾病治療等方面將產生巨大影響

在此基礎上，研究人員進一步研究了特定染色體重排連接產生的影響。

首先，研究人員證實哺乳動物細胞的染色體並不是越長越好，過長會致使細胞分裂異常。李偉介紹，在細胞表型層面上，染色體連接後幹細胞的多能性基因表達以及分化沒有發生明顯變化，而最長染色體連接（2號和1號染色體連接）的單倍體幹細胞二倍化速率顯著加快，且已經成為二倍體的胚胎幹細胞及神經幹細胞中仍會發生自發多倍化。“這一現象是由於染色體長度過長致使細胞分裂異常而導致，也證明了哺乳動物細胞的染色體長度存在一定限制，對小鼠細胞而言，染色體長度上限範圍在308.3Mb~377.6Mb之間。”

其次，科研人員“創造”出了具有全新獨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物表型層面上的影響，研究人員通過單倍體幹細胞注射到卵母細胞的方式，成功得到染色體連接的小鼠——它看似與普通小鼠無異，實則擁有世界不曾存在、全新獨特的染色體組型。

研究發現，不同的染色體連接對小鼠產生了不同的影響，其中最長的染色體連接（2號和1號染色體連接）使得胚胎髮育不能正常進行；1號和2號染色體連接後，1號染色體斷裂重新連接17號染色體，產生的小鼠表現出了生長曲線和行為學的異常；4號和5號染色體連接的小鼠則沒有表現出明顯的異常。

同時，連接後的染色體還能夠傳遞給後代，且進一步交配可以產生純合小鼠。李偉説：“這就證明了兩條染色體的連接不會導致絕對的生殖隔離，但攜帶連接染色體的小鼠生殖力明顯下降。進一步探索發現，連接後的染色體雖然仍能夠與兩條分離的同源染色體進行正常聯會，但是聯會後的同源染色體分離會出現異常。”

最後，研究人員還綜合分析了染色體空間結構在胚胎幹細胞、神經幹細胞和腦內的變化趨勢。研究發現，染色體的空間結構變化隨着分化而減弱。

李偉表示，這一研究嚴格遵守我國法律法規和國家有關規定，並符合我國及國際通行倫理準則。“我們的研究首次建立了哺乳動物完整染色體可編程連接的新技術，實現了對超大規模基因組的編輯，為哺乳動物合成生物學增添了新的研究工具。同時，發現了染色體長度的限制，為哺乳動物合成生物學進行染色體設計合成提供了重要參考；通過在實驗室小鼠模型中重構染色體重排事件，幫助理解進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性，為進化生物學研究提供了新的思路。而染色體精準重排技術為建立染色體重排疾病的動物模型，研究染色體重排導致的不孕不育和腫瘤等疾病的發病機制、探索疾病的治療提供了新的技術手段。”

（本報北京8月26日電 本報記者 齊芳）