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只剩一条染色体,它仍然活着!中国科学家探索生命极限
点击次数:132 发布时间:2018-08-06

真核生物的基因组拥有着一定数量的染色体,融合染色体的生命体是否能存活,还属于未知。目前世界上染色体融合技术还不成熟,融合染色体至一条更是未有先例。日前,中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究员覃重军,创造了世界首例只有一条染色体的酵母生命体,该研究结果8月1日发表在了世界著名期刊《自然》杂志上。

 

日前,中国科学家成功地将酿酒酵母的16条染色体融合为1条染色体,人工创造了一种新型的酵母菌株,这是国际首例人造单染色体真核细胞。令人意外的是,尽管融合显著改变了三维染色体结构,但是含有融合染色体的酵母细胞并没有出现重大的生长缺陷。除了删除了少数非必需基因外,新菌株所含的遗传物质与正常酿造酵母相同。研究人员在8月1日的 《自然》期刊中报告了这项成果。

 

 

真核生物的染色体数量差距很大,人类有46条染色体,猿类拥有48条染色体,雄性杰克跳蚁只有1条染色体,还有的生物染色体数量达到几百条,那么染色体数量本身对生物来说意味着什么?数量的变化对生物会有怎样的影响?多条染色体具有什么优势?物种对染色体数量的改变有多大的容忍度?这是一直以来没有人能回答的问题。

 

“这项研究可以让研究人员探索染色体数量减少后,可能会出现的结果。”在同期刊发的评论文章中,法国国家科学研究院、法国国家健康与医学研究院Gianni Liti写道。“令人惊讶的是,将16条染色体合并为1条之后,它们依然能够存活。

 

“在我看来,染色体数量在真核生物中是随机的。”中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究员覃重军说,他也是本次研究论文的通讯作者。“所以,我想,如果我们能够创造一条染色体,那么我们就可以回答很多问题了。比如,有机体对染色体数量的改变有多大的容忍度?”

 

 

染色体16合1

 

研究人员在实验中用的酿酒酵母一共有16条染色体,每条染色体的两端都会有一个叫做端粒的保护性结构,同时染色体还有一个着丝粒的结构,着丝粒对细胞分裂时染色体分离具有重要作用,它能确保染色体各部分在细胞分裂过程中精确地分配到母细胞和子细胞。

 

“简单地通过端-端融合减少染色体数目的错做并不可行,因为这样一来染色体就会有两个着丝粒。”Gianni Liti在文章中写道。

 

染色体融合方法示例

 

为了解决这个问题,将两条染色体融合成一条,研究团队通过基因编辑的技术将染色体的端粒和着丝粒精准地去除,然后将已经构建好的两条染色体从缺口处进行结合。在重复了15轮染色体融合后,共去除了30个端粒和15个着丝粒,剩余2个端粒和1个着丝粒。最终将酵母的16条染色体融合成一条完整的染色体。为此,研究团队花费了4年的时间。

 

外圈是原本的16条染色体,内圈为融合后的单条染色体

 

酵母生长周期短,这意味着这种染色体整合的菌株在实验室可以长期追踪,长达数月甚至数年。这就使得研究者可以追寻影响染色体融合菌适应性能力的基因,从而来准确调控这些菌株的稳定性。

 

 

生存奇迹

 

在完成了染色体从16条到1条的融合之后,研究小组深入鉴定了其代谢、生理和繁殖功能及其染色体的三维结构。他们发现虽然人工创建的单条线型染色体的三维结构发生了巨大变化,但酵母具有正常的细胞功能。这颠覆了染色体三维结构决定基因时空表达的传统观念,揭示了染色体三维结构与实现细胞生命功能的全新关系。

 

与此同时,他们发现,总体而言细胞大小、形状等特性都没有太大的改变,只有极少量的基因表达有所改变。当细胞在不同的条件和压力下生长时,染色体数量减少并不会导致严重的生长缺陷。另外,染色体数量的改变并没有阻碍其繁殖,它们都可以同具有相同数量染色体的菌株进行有性繁殖。

 

不过,覃重军的团队发现,将仅有单条染色体的菌株与正常酵母菌株共同培养时,单条染色体的菌株会明显处于竞争劣势。这似乎能够说明,为什么在几百万年来,酵母染色体的数量一直保持着稳定。

 

 

开创国际先河

 

在美国,美国科学院院士、纽约大学医学院教授Jef Boeke团队也在同期杂志发表了背靠背研究文章,Jef Boeke是国际酵母基因组计划的负责人。此次,这位酵母研究领域“老将”将酵母染色体从16条融合为2条,虽然他们经过很多努力,但是依然没有成功获得具有1条染色体且存活的酵母菌株。

 

在接受外媒采访时,Boeke 解释说,这种差异有很多可能的解释,但比较合理的解释可能与大小有关。他指出,覃重军团队从酵母染色体中删除了更多的重复序列。

 

Gianni Liti认为,两个研究组之所以出现这种差异,可能是因为他们以不同的顺序和方向进行酵母染色体的融合。如果是这个原因,那可能意味着只有特定的基因组结构才能最终实现。未来,通过各种融合途径来减少染色体数量,将揭示染色体结构对细胞存活的影响。另外一种解释是,实验中意外引入了突变,从而影响了细胞对新基因组的耐受性。

 

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