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2022年8月26日，国际学术期刊《科学》（Science）在线发表了中国科学院动物研究所、北京干细胞与再生医学研究院李伟研究员与周琪研究员团队合作完成的研究论文 A sustainable mouse karyotype created by programmed chromosome fusion。该研究在全球首次实现了哺乳动物完整染色体的可编程连接，并创建出具有全新核型（染色体组型）的小鼠。
这项工作意味着生物工程技术的再次突破，为深入认识哺乳动物染色体大规模重构等结构变异，及其对生长发育、繁殖演化乃至物种形成等的分子机制，拓展了“建物致知”的合成生物学研究策略并奠定了相应的技术平台。
DOI: 10.1126/science.abm1964
Science 新闻中心（SciPak）将该论文作为亮点文章进行了推广
染色体是遗传物质DNA的主要载体，其在细胞中的组成及形态特征被称为核型（染色体组型）。不同的物种具有不同的核型，但是同一物种的核型是高度保守的，以常用的实验动物小鼠为例，自人工繁育至今一百多年来所有的小鼠品系都维持了标准的40条染色体的核型。但是在漫长的生物演化过程中，染色体会发生重排，啮齿类动物每百万年就会积累3.2-3.5种染色体重排，而灵长类动物在每百万年也会积累1.6种染色体重排。最典型的例子是灵长类动物进化过程中，两条端着丝粒染色体通过罗伯逊融合形成了人类的2号染色体，而这两条染色体在黑猩猩中却仍然是分离的，因此人类有46条染色体，但黑猩猩却有48条染色体。进化生物学家认为染色体重排可能是导致生殖隔离建立的原因，甚至可能是物种产生的重要驱动力，但是这一假设尚未通过实验生物学的手段进行证明。
除了对于物种进化的重要意义，个体水平上发生的染色体重排往往导致疾病的发生，如不孕不育，单亲二倍化疾病和儿童白血病等等。
近年来，随着基因组编辑技术的发展，染色体精准重排率先在基因组组成简单且为单倍体的酵母上获得成功。但是，哺乳动物基因组比酵母基因组复杂得多，此前对哺乳动物染色体的重排只限于亚染色体水平，在哺乳动物上进行完整染色体的重排仍然没有成功实现。
本研究打破了这样的技术瓶颈，研究人员利用小鼠单倍体胚胎干细胞和 CRISPR 基因编辑工具，成功将最长的染色体 1 号和 2 号进行正反连接，以及将中等长度的 5 号和 4 号染色体进行首尾连接，同时发现染色体连接过程中可能会发生染色体的断裂和重新连接。
染色体连接示意图及 FISH 检测结果
以上结果表明，来自小鼠的两条独立存在的染色体在基因编辑后，可以以非同源末端连接修复的方式连接为一条染色体。这意味着我国科学家在全球首次实现了哺乳动物的完整染色体重排，取得了合成生物学领域新的突破。
在此基础上，研究人员进一步研究了特定染色体重排连接产生的影响。
在细胞表型层面上，染色体连接后干细胞的多能性基因表达以及分化没有发生明显的变化，而最长染色体连接（ 2 号和 1 号染色体连接）的单倍体干细胞二倍化速率显著加快，且已经成为二倍体的胚胎干细胞及神经干细胞中仍会发生自发多倍化。
研究证实，该现象是由于染色体长度过长致使细胞分裂异常而导致，也证明了哺乳动物细胞的染色体长度存在一定限制，对小鼠细胞而言，染色体长度上限范围在 308.3Mb – 377.6Mb 之间。
为了解答特定染色体重排在动物表型层面上的影响，研究人员通过单倍体干细胞注射到卵母细胞的方式，成功得到染色体连接的小鼠。
染色体连接小鼠“小竹”
该小鼠看似与普通小鼠无异，实则拥有世界不曾存在，全新独特的染色体组型
研究发现，不同的染色体连接对小鼠产生了不同的影响，其中最长的染色体连接（ 2 号和 1 号染色体连接）使得胚胎发育不能正常进行，胚胎停滞于 E12.5 之前；1 号和 2 号染色体连接后，1 号染色体断裂重新连接 17 号染色体，产生的小鼠则表现出了生长曲线和行为学的异常；4 号和 5 号染色体连接的小鼠则没有表现出明显的异常。
连接后的染色体还能够传递到后代小鼠，且进一步交配可以产生纯合小鼠，也就证明了两条染色体的连接不会导致绝对的生殖隔离。但携带连接染色体的小鼠生殖力明显下降，进一步探索发现，连接后的染色体虽然仍然能够与两条分离的同源染色体进行正常联会，但是联会后的同源染色体分离会出现异常。
上述这些研究发现，解析了特定染色体连接会对动物发育、行为和生殖等产生多方面的影响。
最后，研究人员还综合分析了染色体空间结构在胚胎干细胞，神经干细胞和脑内的变化趋势，发现随着分化的进行，染色体的空间结构变化随着分化而减弱。
综上所述，该研究有以下亮点：
1. 首次建立了哺乳动物完整染色体可编程连接的新技术，实现了对于超大规模基因组的编辑，为哺乳动物合成生物学增添了新的研究工具；
2. 发现了染色体长度的限制，为哺乳动物合成生物学进行染色体设计合成提供了重要参考；
3. 通过在实验室小鼠模型中重构染色体重排事件，帮助理解进化衍生的染色体融合，也证明了染色体重排与生殖隔离的相关性，为进化生物学研究提供了新的思路；
4. 染色体精准重排技术为建立染色体重排疾病的动物模型，研究染色体重排导致的不孕不育和肿瘤等疾病的发病机制，探索疾病的治疗手段提供了新的技术手段。
中国科学院动物研究所博士后王立宾、副研究员李治琨、博士后王乐韵、博士后许凯和博士生季甜甜为本文的共同第一作者。中国科学院动物研究所李伟研究员，周琪研究员为本文共同通讯作者。
参与本课题的还有中国科学院动物研究所的毛伊幻，马思楠、刘超、王丽颖、舒由嘉、杨宁以及安诺优达基因科技有限公司的刘涛、涂成芳、赵倩和范旭宁。
该研究严格遵守我国法律法规和国家有关规定，并经过了相应的科技伦理审查。
来源：中国科学院动物研究所
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