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当16条染色体融合成一两条染色体时,酵母仍能生长和繁殖

付强/东方网-IDGAF2018-08-08 21:38:31

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科学家们成功地将酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的16条染色体融合在一起,从而培育出让几乎整个基因组仅存在于一到两条染色体上的新酵母菌株。含有融合染色体的酵母细胞并未表现出重大的生长缺陷,而且仅显示出微小的基因表达变化,这提示着活的有机体可能更加耐受染色体数量和结构的变化。2018年8月1日,两个独立的研究团队在两篇发表在Nature期刊上的论文中报道了这些发现,相关论文标题分别为“Creating a functional single-chromosome yeast”和“Karyotype engineering by chromosome fusion leads to reproductive isolation in yeast”。

图片来自iStock, Theeraphop。

法国癌症与衰老研究所遗传学家Gianni Liti(未参与这两项研究)说,“这两项研究很可能是迄今为止设计和获得的最为引人注目的基因组重组。令人吃惊的是,这些酵母细胞实际上能够[存活下来]。”Liti在Nature期刊上针对这两项研究撰写了一篇附带的评论文章。 真核生物的染色体数量变化很大。人类有46条染色体,红色维萨卡大鼠(Tympanoctomys barrerae)有102条染色体,而雄性杰克跳蚁(Myrmecia pilosula)仅有一条染色体。中国科学院合成生物学重点实验室主任覃重军(Zhongjun Qin)说,“在我看来,染色体数目在真核生物中是随机的。因此我想知道如果我们能够构建出一条染色体,那么我们就可以回答很多问题了。比如,[有机体]对[染色体]总数变化的耐受程度如何?”

为了构建出具有一条染色体的活的酵母细胞,覃重军主任和他的同事们使用基因编辑工具CRISPR-Cas9通过切割和融合端粒附近的基因组序列,从而实现每次让两条染色体融合在一起,其中端粒是位于染色体末端的重复核苷酸序列。他们还移除了每两条染色体中的一条染色体上的着丝粒,从而确保保融合产物仅有一个着丝粒,这是因为具有多个着丝粒的染色体是不稳定的。

在地球的另一边,美国纽约大学朗格尼医学中心的遗传学家Jef Boeke和他的同事们也在研究利用一种类似的技术将酵母染色体融合在一起。根据Boeke的说法,当他的团队之前在开展一项名旨在从头构建酵母染色体的合成酵母2.0(Synthetic Yeast 2.0)项目时,开展将酵母染色体融合在一起的实验的想法就出现在他的脑海里。

Boeke团队也成功地通过将酿酒酵母染色体融合在一起而构建出新的有活力的酵母菌株,不过不同于覃重军团队的是,Boeke团队不能够构建出一种具有单条染色体的功能性酵母菌株,相反,他们仅能够将酵母的染色体数量降低至两条。Boeke解释道,对这种差异存在着很多可能的解释,但最合理的解释与大小有关。他指出相比于他的团队,覃重军团队从酵母染色体中剔除了更多的重复序列,因此“他们获得的酵母基因组可能低于我们刚好超过的[最大]总大小阈值。”

这两个团队构建出的合成酵母仅显示出轻微的生长缺陷,而且它们的基因表达几乎没有变化。美国华盛顿大学西雅图分校计算生物学家(未参与这两项研究)说,“对我而言,[这些结果]是令人吃惊的。我原以为这会对酵母的健康产生更大的影响。”

加拿大拉瓦尔大学进化遗传学家Christian Landry(未参与这两项研究)也吃惊地表示尽管基因组的三维结构发生了重大变化,但是基因表达仅发生了微小变化。他说,“已有大量的研究表明基因组在细胞中的组织方式有助于基因调控。[这些结果]有一点改变了基因组三维结构的作用。”

Noble指出尽管这些合成染色体的整体结构发生了改变,但是基因组中特定区域之间的局部相互作用仍然与原始酵母菌株中的相似。他补充道,“从全局而言,这看起来基因表达和染色质三维结构之间好像并不存在很强的关联性,但是就局部,这种关联性可能是存在的。”

这两个团队都报道构建出的工程酵母细胞能够与其他的具有相同数量染色体的细胞一起有性繁殖,但Boeke团队发现当具有完整16条染色体的野生型酵母与染色体较少的酵母进行有性繁殖时,孢子产生的效率会随着合成酵母菌株中的染色体数量下降而下降。野生型酵母和合成的8染色体酵母在进行有性繁殖时几乎不产生孢子。

尽管导致这种效应的机制是不清楚的,但是Boeke说,通过改变染色体数目实现酵母生殖隔离可能对合成酵母的未来应用(比如生物传感器)是有用的。这种方法可能提供一种生物防护措施,以便尽可能地将工程酵母限制在特定的环境中。

酵母中的这些发现是否会拓展到人类等高等真核生物中还有待确定。作为中国科学院的一名生物学家,薛小莉(Xiaoli Xue)指出,有证据表明染色体融合能够在其他的具有更复杂基因组的有机体中自然地发生:比如,人类的2号染色体似乎来自于两条祖先猿染色体的融合。

当前,这些研究人员计划研究这些新构建出的酵母菌株,以便解决有关染色体生物学的问题,比如基因组结构如何影响基因表达。Boeke说,这两篇论文“提出了很多问题”。

原标题:当16条染色体融合成一两条染色体时,酵母仍能生长和繁殖

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