我国科学家创建染色体重排小鼠

开辟哺乳动物染色体编辑新领域

湖南  肖保和

染色体工程的突破

        中国科学院动物研究所、北京干细胞与再生医学研究院的李伟团队与周琪团队合作，以小鼠单倍体胚胎干细胞为基础，利用基因编辑技术，设计了染色体Rb融合和相互易位的策略，在全球首次实现了哺乳动物的完整染色体重排，并创建出具有全新染色体组型的小鼠——“小竹”。 这意味着我国科学家在染色体工程领域取得了新的突破。该研究于8月26日在国际学术期刊《Science》上发表。

 染色体重排的小鼠——“小竹”（图略）

        染色体工程指按设计有计划削减、添加和代换同种或异种染色体的方法和技术，也称为染色体操作。染色体工程一词，虽然在20世纪70年代初才提出，但早在30年代，美国西尔斯(E.R.Sears)及其学生就已开始研究。不仅在改良植物的遗传基础培育新品种上受到重视，也是基因定位和染色体转移等基础研究的有效手段。经过多年的发展，已经在酵母中成功尝试，但在包括哺乳动物在内的高等真核生物中仍然具有巨大的挑战，这一难关被我国科学家历时4年攻克。

染色体重排的奥秘

        染色体是遗传物质的主要载体，其在细胞中的组成及形态特征被称为核型。染色体重排指染色体发生断裂后，与别的染色体相连构成的新染色体的过程，属于染色体结构变异。在漫长的生物演化过程中，染色体重排是导致生物产生了质的改变和飞跃的重要因素，是物种进化的重要内驱动力。

        随着时间的推移，染色体重排引起的核型改变是常见的。啮齿类每百万年有3.2~3.5个染色体重排，灵长类每百万年有1.6种染色体重排，1.6次的染色体重排造就了人类和大猩猩的差异。人类的2号染色体是在进化过程中由大猩猩的两条端着丝粒染色体通过罗伯逊易位（Rb）产生，而大猩猩的4号染色体和19号染色体是人类祖先5号染色体和17号染色体之间的相互易位而形成的。但是在单个个体的生命周期中，Rb融合或相互易位会引起非整倍体或儿童白血病。了解染色体重排的奥秘，能进一步揭示人类演化的奥秘，也能在多种疾病的治疗上取得飞跃。

融合小鼠的培养与实测

        研究人员将小鼠胚胎干细胞中两条中等大小的小鼠染色体(Chr 4和Chr5)首尾相连形成(Chr4+5)，并且通过两种方式将两个最大的小鼠染色体(染色体1和2)进行连接产生(Chr1+2和Chr2+1)，并用荧光原位杂交（FISH）实验证实融合染色体的存在，用Hi-C测序技术和PacBio测序技术来分析核型和序列变异性。

        研究人员通过胚胎工程获得野生型小鼠（WT）、Chr1+2和Chr4+5三种核型的胚胎，其中Chr1+2和Chr4+5两种类型的小鼠均可以正常生长，但通关行为学等实验发 现，相对于Chr4+5，Chr1+2表现为更明显的焦虑和行动缓慢。比较WT和Chr1+2小鼠发现，融合染色体使得部分基因失调（比如Capn11），这可能是出现上述行为表型的原因。测试携带融合染色体的小鼠的繁殖能力，发现只有Chr4+5核型的小鼠能够与WT小鼠交配得到了纯合子Chr4+5小鼠，但是成功的机率相对于自然状态下产生的后代要低很多。染色体融合影响了小鼠的繁殖能力，在细胞分裂过程中染色体分离异常导致其繁殖能力减弱。

Chr1+2和Chr4+5小鼠（图略）

        研究人员表示生殖隔离和新物种的形成可能是通过染色体重排的积累而产生的，而染色体重排会降低杂合杂种的繁殖能力。同时融合小鼠最大的两条染色体Chr1+2导致子代细胞核排斥，从而导致细胞多倍体，最终导致胚胎死亡，但当结扎臂被两个独立的易位截断时，所有这些影响都消失了，表明有丝分裂细胞核的物理空间是哺乳动物核型进化的一个潜在限制因素。

        总的来说，在我们利用这些科学手段的同时，也需要明白科学是一把双刃剑。人工改造生物的遗传信息得到的全新物种是否会影响到物种的自然进化，这在短时间内仍不得而知。这些都是我们需要认真思考的，研究人员务必保持清醒的头脑。

        不管怎样，我国科学家利用小鼠胚胎干细胞和基因编辑技术实现的染色体精准重排，为研究染色体重排导致的疾病和建立疾病动物模型提供了新的技术手段，对进一步探索疾病的发病机制具有重大启发。

（原文由生物谷 2022-08-29  19:58 发表于上海，作者整理）