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历时四年,中国科学家创造了全世界第一个单染色体真核生物

王大雷/东方网-我是科学家2018-08-08 21:38:56

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作者:鬼谷藏龙

编辑:小柒

“染色体”这个概念,大家多多少少应该都有听过。诸如动物、植物和真菌之类拥有复杂细胞结构的生物(也就是真核生物),它们的遗传物质——DNA就存在这种叫做染色体的结构上。

染色体结构示意图。图片来源:pixabay

不同的真核生物所拥有的染色体数量可谓天差地别:比如人类拥有23对染色体,我们做实验的小白鼠有20对染色体,家里的汪星人则有39对染色体。

可是你是否想过,生物的染色体数目为什么不一样呢?

一般来说,表述越是简单的问题就越能触及知识的本质。然而就像是最优美简洁的公式背后往往蕴含着最高深的智慧,染色体的数量问题,自染色体被发现以来就是生命科学领域的最大谜团之一。

生物的染色体数目为什么不一样呢?图片来源:pixabay

首先,染色体的数量和生物的复杂程度无关,单细胞的酿酒酵母拥有16条染色体,澳大利亚有一种蚂蚁Myrmecia pilosula的雄蚁却只有1条染色体,而一种小型蕨类植物Ophioglossum reticulatum的染色体数量则高达1260条。

其次,染色体的数量和基因量也没啥关系,比如裂殖酵母和酿酒酵母的基因量差不多,生活方式也基本类似,但是裂殖酵母却只有3条染色体。最后,染色体的数量在演化过程中也经常改变,比如我们人类最近的近亲黑猩猩就比我们多一对染色体。

黑猩猩拥有24对染色体,比人类多一对。图片来源:pixabay

生物染色体数量竟能如此“狂放不羁”,以至于人们一切总结归纳的努力都显得很徒劳。既然,无法从观察中解决问题,我们能不能通过实验来解决呢?也不行,因为长久以来科学家甚至连解决这个问题的第一步都无法迈出——以往的研究手段根本无法实现在改变某种生物的染色体数量的同时保持基因数量不变。

可以说,人们对于染色体数量这么个简单问题,数十年来压根一筹莫展。假说提了一大堆,有些甚至写进了教科书里,但是实锤却一点都没有。

不过就在今年,终于有人把这重要的第一步给迈了出去。

就在8月2日,国际顶尖的科学期刊《自然》同时上线了两篇重量级论文,一篇来自纽约大学系统遗传学研究所的Jef Boeke团队,他们成功将酿酒酵母的16条染色体彼此“融合”,缩减到2条染色体。而另一篇出自中科院上海生命科学研究院,植物生理生态研究所的覃重军等实验室则更进一步,将酿酒酵母的全部16条染色体融合成了1条染色体。

酿酒酵母在电子显微镜下的照片。图片来源:wikipedia

其实他们采用的方法在原理上很好理解,整个过程就像是个染色体“接龙”——先去除两条染色体两端的端粒(相当于摘掉染色体两端的保护套)和其中一个染色体中央的着丝粒部分(否则融合出来的新染色体会有两个着丝粒就很不稳定),再在两端放入一个可以介导染色体彼此连接的同源序列(作用相当于一个彼此匹配的接口),然后两条染色体就有一定的概率融合成一条。可以配合下图想象一下这个过程。

染色体融合的原理大至相当于把两根电线的保护端剥开、各自加上一个可以互相匹配的接头、再连接在一起。图片制作:鬼谷藏龙

染色体融合过程在原文中示意图。图片来源:参考文献[3]

虽然听起来好像没啥大不了的,但这种事放几年前都无法想象。不过所幸,借助于CRISPR/Cas9等最新的基因编辑技术,这种方案在今天终于可能实现了。尽管如此,它依旧是个非常艰辛的工作。

覃重军团队耗时四年,做了大量的尝试才完成全部15轮染色体融合,构建出一株只有一条染色体的酵母菌株。而Jef Boeke团队所付出的努力想必也不会更少,却最终也没有将最后的两条染色体融合在一起。

覃重军构建的全融合酿酒酵母染色体示意图,这个巨大染色体的不同区段分别对应原有的16条染色体。参考文献[2]

而突破染色体融合的难关后,覃重军的研究团队又对此进行了深入的探究。他们发现,将酵母的16条染色体融合成一条以后,原来染色体上的那些基因表达却并没有受什么影响,酵母的形态功能各方面,除了减数分裂略有异常外,全部都正常如初。

通过更进一步的研究,他们还发现,染色体的融合强烈改变了染色质的大尺度结构(【注】狭义上的染色体只有在细胞分裂时才会短暂出现,那是一种DNA的浓缩状态,在大部分时候,细胞内的DNA以一种松散的形态存在,这种状态称为染色质),传统理论认为,大尺度的染色质结构会影响基因的表达,而这项研究很可能颠覆原有的理论。

上图左边为野生型的酿酒酵母(16条染色体)的染色质的空间结构,右图是这16条染色体合体之后的染色质形态。图中蓝色小球代表端粒,红色小球代表着丝粒,同样的颜色片段为互相对应的染色体片段。可以看出,染色体融合导致大尺度上的结构变化,但是局部的染色质形态则基本保持不变。参考文献[3]

这项工作可以说将生命科学的某些领域推进到了一个全新的境界,我们无法知道这个境界里究竟有什么。覃重军等科学家作为进入这一重新天地的先驱,已经瞥见了一些宝藏,却也带来了更多的未知——

染色体的长度真的没有任何限制吗?如果大尺度的染色质结构没有意义,那为什么几乎所有生物的染色质都会在大尺度上表现出一些有序的结构?既然一条染色体已经够用,为什么绝大多数真核生物都会选择保留复数条染色体? Jef Boeke还发现当酿酒酵母的染色体数融合成8条的时候突然就和普通的酵母产生了生殖隔离,这又是什么原因?

无限的问题,无限的可能在等待科学家们一个个去解读,或许不久之后又会得出新的惊诧世人的成果呢?这染色体的数量之谜会不会像当年物理学界的两朵“小乌云”那样,在拨云见日之际展现出一个惊艳的新世界来呢?想来还真是令人心潮澎湃呢!

作者名片

排版:小爽

参考文献:

1. Luo, Jingchuan, Sun, Xiaoji, Cormack, Brendan P. & Boeke, Jef D. (2018). Karyotype engineering by chromosome fusion leads to reproductive isolation in yeast. Nature, 1476-4687.

2. Shao, Yangyang, Lu, Ning, Wu, Zhenfang, Cai, Chen, Wang, Shanshan, Zhang, Ling-Li, Zhou, Fan, Xiao, Shijun, Liu, Lin, Zeng, Xiaofei, Zheng, Huajun, Yang, Chen, Zhao, Zhihu, Zhao, Guoping, Zhou, Jin-Qiu, Xue, Xiaoli & Qin, Zhongjun. (2018). Creating a functional single-chromosome yeast. Nature, 1476-4687.

3. Nature News: Yeast chromosome numbers minimized using genome editing

点个赞吧~基因生命科学人类

原标题:历时四年,中国科学家创造了全世界第一个单染色体真核生物

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