李劲松Cell Res构建染色体融合小鼠模型、模拟染色



  9月21日,国际学术期刊Cell Research在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)李劲松研究组题为“Creation of artificial karyotypes in mice reveals robustness of genome organization”的文章,报道了基于类精子干细胞介导半克隆技术,通过CRISPR/Cas9靶向染色体重复序列,实现小鼠染色体融合改造,建立全新的稳定传递的染色体改造纯和小鼠品系,揭示了染色体融合的机制,并提示真核生物基因组组装的系统稳健性(Robustness)是染色体演化的重要基础。

  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。基于系统生物学研究,距今约3到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,成为人类物种进化的关键性事件。然而,这一事件发生的具体机制并不清楚。

  实验室常用的小鼠(Mus musculus)的核型为40条染色体,在长期配繁过程中保持染色体数目和结构稳定,除Y染色体外,均为端着丝粒染色体(单臂染色体),这一点与人类染色体差异巨大,人类染色体中并未发现端着丝粒染色体的存在,而均以双臂染色体形式存在(包括近端着丝粒染色体)。但是,在自然界中野生小鼠存在较为广泛的染色体罗氏易位类型(端着丝粒染色体头对头融合)亚种,有趣的是,自然界中罗氏易位类型分布很不均衡,例如Rb(2,4)(2号和4号染色体融合)融合类型和Rb(5,15)等融合类型在亚洲,欧洲美洲各地广泛分布,但是Rb(1,13)和Rb(2,9)等融合类型目前在自然界中尚未见报道。这引起了一系列思考,染色体融合是如何发生的?为什么小鼠的染色体演化存在端着丝粒偏好性?不同类型的染色体融合方式是否影响了细胞和个体的生命活动?如何可以将小鼠的单臂染色体改造成更像人类染色体的双臂染色体?

  2018年,中国科学家团队在国际上率先实现基于酵母的大规模染色体改造,利用头对尾的融合方式成功将酵母染色体合并为一条,为染色体重排改造研究打开了一扇窗,但是面对更为复杂的哺乳动物,在个体水平改造染色体在技术上面临很大的困难和挑战。可以说在单基因突变和多基因突变遗传均可以高效建模的今天,攻克哺乳动物染色体结构变异建模是重要的任务,而我国科学家独创的类精子干细胞技术,为实现哺乳动物个体水平染色体改造投来了光亮。2022年8月26日,中科院动物研究所团队利用相似的头对尾的融合方式成功获得了三只19对染色体的小鼠(Science)。

  李劲松研究团队针对着丝粒核心基序Minor satellite(MinSat)设计了基于CRISPR/Cas9的靶向编辑方案,实现对着丝粒区域的靶向切割。将这样的着丝粒靶向切割系统转染到小鼠类精子干细胞中,可以实现对小鼠两条染色体在着丝粒区域以“头对头”融合的方式发生罗氏易位,形成双臂染色体,成功模拟了自然界中在漫长演化过程中发生的染色体重排事件。研究人员从1128个转染着丝粒切割组件的单克隆细胞系中,建立了10株具有稳定的19条染色体的单倍体细胞系,其中有9株细胞系保持有基因组倍性平衡。

  染色体着丝粒断裂融合形成了一个新的着丝粒,但是有趣的是,研究人员发现,所有和小鼠二号染色体(Chr2)发生罗氏移位之后形成的双臂染色体具有两个独立的着丝粒(MinSat富集区域)。进一步分析,研究人员发现,小鼠Chr2与其他染色体不同,在染色体末端就具有两个着丝粒。由于双着丝粒染色体会造成在有丝分裂中存在不稳定性,容易造成染色体断裂和基因组不稳定性。进一步分析发现,小鼠Chr2具有一个活化的着丝粒和一个失活的着丝粒。这一发现也暗示了小鼠Chr2染色体和其他染色体相比在进化历程中存在着特殊的着丝粒形成事件。

  染色体融合事件对于细胞的生命活动有什么样的影响呢?研究人员对具有不同罗氏易位的细胞系进行转录组测序分析,结果令人惊讶,携带单条罗氏易位染色体的“类精子干细胞”只具有最多不超过20个差异基因,这说明染色体“头对头”的融合方式对细胞表达谱扰动极小,有趣的是差异基因同时分布在参与融合和其余未参与融合的染色体上。




上一篇:2022年9月20日河北省新型冠状病毒肺炎疫情情况
下一篇:李劲松组构建染色体融合小鼠模型、模拟染色体