本文根据科学网（2018/8/7 9:10:59分布）李晨阳的《“16合1”酵母菌背后的那些事儿》整理 人类有46条染色体，狗有78条，一种蝴蝶有450条，而一种小小的蕨类植物竟然有1260条染色体。为什么染色体数目和生命体的层次不成比例——大自然不是按套路出牌？这个疑惑一直困扰着全世界的生物学家们。 酿酒酵母菌是最简单的真核模式生物之一，它有16条染色体。近日，中美两国的科学家通过人工干预，各自独立地实现了酵母菌染色体的融合。其中著名科学家、美国科学院院士Jef Boeke领衔的纽约大学团队获得了具有2条染色体的酵母菌；而中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所研究员覃重军领衔的这项研究，竟然把全部16条染色体融合成了一条。这两支科研团队的研究报告发表在同一期《自然》杂志上。显然，中国学者的成果更胜一筹。 酿酒酵母的基因组中存在大量重复序列。生物体内这些功能暂且不明的基因序列，被一些生物学家视为具有潜在价值的宝藏。纽约大学团队在实验中，就希望尽可能保留全部的基因序列。覃重军却不这么想，他认为生物并不是完美的，这些重复序列有可能是演化过程中的小失误，可以尝试把它们全部去掉。事实证明，这一操作让基因组变得更加稳定、更易融合。就像建大厦一样，把垃圾去掉了，楼才盖得更高更稳。 覃重军就推测染色体融合在理论上应该可以成功。他把注意力放在染色体的的着丝粒上。酿酒酵母菌的染色体上各有一个着丝粒，覃重军比如为“就像16个小人挑着扁担，这些扁担有长有短”。他们要做的就是删除掉其中15个，最后由1个着丝粒来承担“16合1”的超大染色体。有趣的是，最后承担重任的那个着丝粒，并不来自最大的4号染色体，而是来自另一条较大的15号染色体。 为什么选择15号？因为研究人员发现这个着丝粒与它两边的基因挨得非常紧，不管用什么方法去掉它，都会牵连到一些周围的基因。这个现象告诉他们“不得不留下它”。事实上，纽约大学得到的两条染色体的酵母菌中，有一条染色体也采用了15号染色体上的着丝粒。 由此可见，15号着丝粒确实“求生欲强”，具有包揽16条染色体全部功能的本领。中国团队融合后的单条酵母菌染色体长达12Mbp，也能照常发挥自己的功能，给覃重军团队带来了“一个惊喜”。 可是，人类有46条染色体，狗有78条，一种蝴蝶有450条，而一种小小的蕨类植物竟然有1260条染色体。为什么大自然不是按套路出牌？酵母菌染色体“16合1”能解开这个谜团吗？ 现在的工作表明，经过演化而来的染色体数目并不一定是最优的，而是可以更改的。既然酵母菌只用一到两条染色体就能活得好好的，为什么还会演化成今天16条染色体的状态呢？Boeke团队在论文里认真地探讨了这个问题，并且提出了三大假设。 ⑴.可能与酵母菌在演化历程中经历的全基因组复制事件——染色体自发的融合、断裂等过程有关。 ⑵.与拥有少数较大染色体的同类相比，拥有16条较小染色体的基因组更容易出现非整倍性。这种变异有时有害，但也有助于酵母菌对严峻环境变化做出迅速可逆的适应。 ⑶.染色体亚端粒区域富含预备基因，这些基因平时被抑制，但能在特定的环境条件下特异性表达。因此，更多的端粒有助于生物更精巧地调控一些生化过程。这也帮助酵母适应复杂多变的环境。 中科院院士赵国屏指出，尽管单条染色体酵母菌单独培养时看起来很正常，但它与野生型酵母菌竞争生长时表现出明显的劣势，这或许也暗示着多条染色体具有一定意义。 中科院深圳先进院研究员戴俊彪说：“在把16条染色体融合成一条后，酵母菌依然可以承受。这项工作给了我们理论依据和更大的信心，未来我们希望把酿酒酵母作为一个工具，去合成更高等的基因组。”
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