《科学》重磅！40条染色体变成38条，小鼠依然能正常生存

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最近，中国科学家在实验中实现了哺乳动物在自然环境中，经过 100 万年才会自然出现的基因改变，在更大的时间尺度上揭示了基因演化对于生命的意义。

编译 | clefable

审校 | 二七

哺乳动物的染色体重排

在细胞分裂时，真核生物的 DNA 会聚合形成染色体，它是一种致密的棒状结构，由 DNA 缠绕组蛋白后，通过多种方式折叠形成。在人类细胞中，展开后长达 2 米的 DNA 序列最终会被压缩到 46 条数微米长的染色体中。

可以说，染色体是 DNA 在特定时期的存在形式。它出现在细胞增殖和真核生物繁殖的过程，参与了细胞 2 种形式的分裂过程，分别是有丝分裂和减数分裂。在这 2 个过程中，染色体会发生一些改变，如正常的染色体重组（同源染色体之间的交换）和一些不正常的染色体重排，包括染色体易位（非同源染色体之间的交换）、倒位（一段染色体片段翻转 180 度后，插回原来的位置）、缺失和重复，以及罕见的不同染色体的融合（两条染色体连接在一起）。

在自然条件下，生物在演化时通常需要经过大约 100 万年的时间，才会出现一次染色体融合（chromosome fusion）。" 但从更长的时间尺度来看，家鼠通过染色体重排来实现核型（一个生物体的染色体组）的改变，还比较常见。啮齿类动物每百万年有 3.2～3.5 次染色体重排，而灵长类动物是 1.6 次。" 中国科学院动物研究所、干细胞与生殖生物学国家重点实验室的副研究员李治琨表示，这些微小的改变可能会产生重大的影响。在灵长类动物中，1.6 次染色体重排造就了人类（46 条染色体）和大猩猩（48 条染色体）的差异。

大猩猩的核型中 2 条独立的染色体在人类的染色体组中是融合的（1 次）。此外，人类祖先的 2 条染色体通过相互易位（0.6 次），产生了大猩猩的 2 条不同的染色体。而单个个体的生命历程中，染色体重排或易位常常意味着不幸，因为可能导致染色体缺失或多余，进而导致罕见病的出现。

8 月 25 日，中国科学院动物研究所的科学家在一篇发表于《科学》的研究中，开发了一种新的技术首次实现了哺乳动物的人工染色体融合（chromosome fusion），在实验室实现了家鼠（Mus musculus）需要经过 100 万年的演化，才能出现的基因组改变。

在实验中，科学家将家鼠胚胎干细胞中的 4 号染色体和 5 号染色体首尾，并得到了具有 Chr4+5 核型的家鼠。图片源于论文

这项研究成果也提供一个关键的视角，帮助科学家观察染色体重排如何影响物种的演化。这也是首次，科学家在哺乳动物细胞中人工实现了染色体融合，且成功使得实验室的家鼠具有了新的、可持续的染色体组。

关键的挑战

" 正常情况下，实验室中培养的家鼠都具有 40 条染色体。尽管已经经历了 100 多年的人工培育，但它们的染色体依然没有明显的改变。" 李治琨说道。他还表示，染色体的稳定性，能帮助我们理解生命在较短时间尺度上的基因变化。而拥有了改造染色体的能力，我们才能在更长的时间跨度上来理解物种基因是如何改变，包括如何纠正一些染色体重排，例如异位、融合等。

2018 年，在一篇发表于《自然》的研究中，中国科学院分子植物科学卓越创新中心的覃重军团队成功改造了单倍体酵母的染色体组，酵母中原来的 16 条染色体，进行了 15 次融合，并通过基因编辑技术去除染色体着丝粒和两端的端粒，制造出了只具有一条线性染色体的酵母 SY14 菌株，而酵母并没有表现出明显的生殖缺陷。

不过，科学家一直没有成功将这项技术转移到哺乳动物身上。据新研究的共同第一作者、中国科学院北京干细胞与再生医学研究所研究员王立宾介绍，研究的挑战在于需要从未受精的家鼠胚胎中提取干细胞，这意味着获得的细胞仅包含一组染色体。

在二倍体细胞中，两组染色体会通过排列、协调产生生物体的遗传学性状。染色体上存在一些基因印记，对于等位基因（同源染色体相同位置的一对基因）来说，显性基因可能被标记为活跃，而隐性基因被标记为不活跃。这个过程可以通过科学方法来进行操纵，但在此前对哺乳动物细胞的研究中，人工修改的印记信息并没有保留下来。

" 基因印记经常会丢失，这意味着在单倍体胚胎干细胞中，哪些基因应该活跃的印记信息消失，就会限制了它们的多能性以及基因改造等，" 王立宾说， " 我们最近发现通过删除 3 个印记区域，就可以在胚胎干细胞中建立稳定的、类似精子的印记模式。" 研究人员通过基因工程技术，修改了细胞中这 3 个区域自然的基因印记，并赋予了细胞人工设计的印记模式，使它们能够促进特定的染色体的融合。

他们通过将胚胎干细胞中两条中等大小的染色体—— 4 号（Chr4）和 5 号染色体（Chr5）——首尾相连，获得了一种新的核型 Chr4+5，以及通过 2 种方式来连接细胞中两条最大的染色体 1 号（Chr1）和 2 号染色体（Chr2），获得了另外 2 种核型，分别是 Chr1+2 和 Chr2+1，从而获得了具有 3 种不同核型的胚胎干细胞。

科学家采取的具体实验流程：提取单倍体的胚胎干细胞，对其进行基因和染色体改造，获得具有新核型的二倍体细胞，使其发育成胚胎、个体。图片源于论文

研究人员制造出了 3 种新核型的胚胎干细胞，下图为连接的染色体在电镜下的照片。图片源于论文

由于 Chr1 和 Chr2 连接后形成的染色体过长，会影响染色体的分裂，导致细胞多倍体化进而死亡，他们将 Chr1+2 和 Chr2+1 胚胎干细胞中的部分染色体片段转移到了 Chr17 上。

在之后的培养中，这些细胞的基因表达和野生型家鼠的细胞并没有差别。研究人员将这些细胞的细胞核注入到家鼠卵母细胞中，获得了形成二倍体的胚胎干细胞。最终，他们获得了 113 个 Chr4+5 核型的家鼠胚胎、355 个 Chr1+2 家鼠胚胎以及 365 个 Chr2+1 家鼠胚胎，并将其转移到代孕鼠子宫内。

家鼠的改变

他们发现 Chr2+1 胚胎寿命均不足 12.5 天，无法形成足月的家鼠。Chr1+2 胚胎能发育成足月的家鼠，但和 Chr4+5 胚胎发育成的家鼠相比，这些家鼠长大后体型会更大，在实验测试中表现得更焦虑，且运动距离更短，运动速度会更慢。

只有 2 种新核型的胚胎最终发育成了足月的家鼠。图片源于论文

为了了解这种情况出现的原因，研究人员分析了 Chr1+2 家鼠多个器官中的基因表达，包括大脑、肺、心脏和肝脏等。在这些器官特异性表达的 2000 多个基因中，有 50 多个基因出现了差异性表达，而其中有 26.4% 的基因位于 Chr1、Chr2 和 Chr17 上。

具有 Chr4+5 核型的家鼠体型更大，但也更焦虑和笨拙。图片源于论文

研究人员发现，存在于 Chr17 上的基因 Capn11 会表达一种依赖钙离子的蛋白酶，而在家鼠所有的器官中，这个基因的表达都下降了。而人工敲除野生家鼠的该基因，也会导致它们出现和 Chr1+2 家鼠一样的特征，比如变得更加焦虑。实际上，Capn11 的功能是因为 Chr17 的改变而受到了影响。它的功能会受到其他区域基因序列的调控，而 Chr17 的改变会导致这个过程出现异常。

后续，研究人员还测试了这些家鼠的生殖能力，只有 Chr4+5 核型的家鼠和野生家鼠交配形成了后代，但成功的几率比普通的实验室家鼠低得多。研究人员发现，生育力减弱是由于染色体在排列后，在细胞分离过程中，染色体分离方式异常所引起的。王立宾解释说，这一发现证明了染色体重排建立生殖隔离的重要性，这是新物种出现的关键演化标志。

" 我们在实验中制造的家鼠会出现一些异常的行为，有的会在出生后过度生长等，而另一些会显示出繁殖力下降。这些现象均表明，尽管实验中我们对遗传信息的改变比较有限，但动物染色体的融合可能会产生深远的影响，" 李说。 " 在实验室家鼠模型中，我们通过一个能固定单倍体胚胎干细胞基因印记的平台和基因编辑，证明染色体重排事件是物种进化的驱动力，对物种间的生殖隔离形成很重要，这也大规模工程化哺乳动物中的 DNA 提供了一个潜在的途径。"

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