图1 小鼠单倍体干细胞染色体连接.(A)染色体连接示意图(B)染色体连接DNA-FISH鉴定结果
类精子干细胞介导半克隆技术实现全新核型小鼠模型的构建
染色体的稳定与变化是个体生存和物种演化的基础,是遗传物质宏观调控规律的一体两面,染色体数目和结构的变异常常对个体造成不利影响,而新物种的形成往往又伴随复杂的染色体结构演化。如何研究高等生物的基因组结构组织规律?如何理解染色体结构变异在细胞和个体生命活动中的意义?如何解析染色体结构变异在生殖隔离建立以及物种演替中的做用?如何确定染色体变异疾病的产生、发展和传递的机制?这一系列的重要科学问题均需要科学家具有对生物尤其是高等哺乳动物的染色体进行遗传改造建模的能力,但是改造哺乳动物染色体在技术上面临极大的困难和挑战。
染色体的结构重组一方面为物种演化提供了原材料,另一方面也与诸多遗传疾病和后天疾病例如白血病有关。基于系统生物学研究,距今约3~4百万年前,人与黑猩猩的共同祖先内部产生了染色体结构上的分异,两条独立的染色体通过头对头(类似罗氏易位,Robertsonian translocation)方式融合成为现今现代人的二号染色体(HSA2),这一改变可能直接导致了人类始祖与黑猩猩始祖之间的生殖隔离,成为人类物种演化的关键性事件【6】。染色体融合是一种人类染色体结构变异中常见形式,平均1000名新生儿中就有1例罗氏易位病例,发病率高【7】。已有研究表明具有15号和21号染色体罗氏易位的新生儿患急性淋巴白血病的患病风险会提高2700倍【8】。此外,罗氏易位会造成配子质量下降,在减数分裂过程中产生紊乱,导致配子数目异常,最终产生唐氏综合症、Patau综合症等严重的出生缺陷【9】。
因此,可以说在单基因/多基因复杂遗传疾病均可以高效建模的今天,突破哺乳动物个体水平染色体遗传改造的技术瓶颈是遗传学家一项重要的科学使命。
2018年,中国科学家团队率先实现基于酵母的大规模染色体改造,成功将酵母染色体合并为一条,并研究了染色体重塑对酵母生理活动的影响(Nature突破丨中国学者创造单条融合染色体酵母——元英进、戴俊彪等解读)【10,11】。这一重大突破激发了科学家思考核内染色体空间组织模式在真核生物基因组稳态及生长发育中的作用。在更高级的哺乳动物层面上开展染色体改造的研究呼之欲出。
2022年8月26日,中科院动物所研究团队在Science上发表的这一原创性工作,一举将染色体结构人工遗传改造推高到哺乳动物个体水平,突破了人工编程化改造哺乳动物基因组的最大技术瓶颈。在本项研究中,研究人员基于小鼠参考基因组设计了特异性基因编辑方案,通过分别移除小鼠孤雄单倍体胚胎干细胞(又可称为类精子干细胞)的两条端着丝粒染色体的端粒端和着丝粒端,将两条染色体融合在一起。研究人员发现了Chr1和Chr2首尾融合形成的超长染色体存在较强的有丝分裂异常,此外研究人员还巧妙地以Chr17染色体作为受体,对超长的融合染色体进行截短回补实验修复了超长染色体带来的有丝分裂异常,这暗示了小鼠染色体可能存在长度界限。类精子干细胞可以替代精子使卵母细胞“受精”产生半克隆小鼠的特性支持了染色体融合改造小鼠的一步构建【12,13】。本项研究中研究人员通过将染色体融合改造的类精子干细胞注射入卵母细胞,获得Chr4+5和Chr1+2两种类型的杂合半克隆小鼠,两类小鼠表现出行为和生殖能力上的差异,其中携带Chr4+5融合染色体的半克隆小鼠没有表现出明显的异常,并可以通过配子向下传递,获得了三只携带19对染色体的小鼠。这些结果暗示了染色体结构变异在个体行为上存在着深层次影响,同时,携带融合染色体的小鼠的建立,构建了从“新染色体”设计到“新物种”建立的技术路线。
值得一提的是,本项研究创造的新的染色体融合方式(首尾连接染色体)在自然界中尚未被发现,但这并不能排除在演化的历史长河中出现过类似的染色体首尾连接模式,然而,由于与有丝分裂和胚胎发育等生命活动不兼容而没有被保留下来。揭示物种演化过程中的频繁的基因组重组背后的逻辑以及其对应的演化意义是研究者们未来需要进一步深入思考的科学问题。
本项研究的发表,使得科学家进行染色体结构改造一步跃升到哺乳动物的个体层面,开启了以小鼠为代表的哺乳动物染色体遗传改造的新领域,同时也是“类精子干细胞”介导半克隆技术的一项新的颠覆性应用。染色体结构变异类型多样,除本文创造的染色体首尾融合方式,还包括染色体头对头融合模式的罗氏易位、染色体末端融合形成的环状染色体、染色体臂间倒位等多种染色体结构变异类型。其中环化染色体是人类中存在的一种罕见染色体结构变异遗传疾病,患者的染色体融合环化,产生一系列发育迟滞等疾病表征【14】。但是,由于缺乏手段,目前尚未有环化染色体疾病动物模型被成功建立。基于基因编辑工具和类精子干细胞技术,未来可以实现包括罗氏易位模型、环化染色体模型、臂间倒位模型等一系列个体水平的染色体改造,为研究物种演化和染色体异常遗传疾病等领域提供强有力支撑。
可以预见,类精子干细胞介导半克隆技术作为衔接细胞和个体的强有力遗传载体,未来在合成生物学和系统生物学的加持下会焕发的巨大活力。人工改造物种及人工定制物种成为可能,高等生物全基因组设计重排也不是幻想。或许未来某一天回顾科学发展历程,我们可以定义2022年为哺乳动物染色体尺度基因组重塑元年。
原文链接:
http://doi.org/10.1126/science.abm1964
制版人:十一
参考文献
6. Stankiewicz, P. One pedigree we all may have come from–did Adam and Eve have the chromosome 2 fusion? Molecular Cytogenetics 9, 1-5 (2016).
7. Haigis, K.M. & Dove, W.F. A Robertsonian translocation suppresses a somatic recombination pathway to loss of heterozygosity. Nature genetics 33, 33-39 (2003).
8. Li, Y. et al. Constitutional and somatic rearrangement of chromosome 21 in acute lymphoblastic leukaemia. Nature 508, 98-102 (2014).
9. Ferfouri, F. et al. The chromosomal risk in sperm from heterozygous Robertsonian translocation carriers is related to the sperm count and the translocation type. Fertility and sterility 96, 1337-1343 (2011).
10. Shao, Y. et al. Creating a functional single-chromosome yeast. Nature 560, 331-335 (2018).
11. Luo, J., Sun, X., Cormack, B.P. & Boeke, J.D. Karyotype engineering by chromosome fusion leads to reproductive isolation in yeast. Nature 560, 392-396 (2018).
12. Li, W. et al. Androgenetic haploid embryonic stem cells produce live transgenic mice. Nature 490, 407-411 (2012).
13. Yang, H. et al. Generation of genetically modified mice by oocyte injection of androgenetic haploid embryonic stem cells. Cell 149, 605-617 (2012).
14. Guilherme, R.S. et al. Mechanisms of ring chromosome formation, ring instability and clinical consequences. 12, 1-7 (2011).
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