研究人员以科学第一的方式融合小鼠染色体

F或者说，研究人员首次在体外将小鼠的两条染色体融合在一起，从而产生了具有新核型的活小鼠。专家说，今天(8月25日)发表在《科学》杂志上的一项研究详细介绍了这项新技术，它可以帮助研究染色体进化，也可能有助于研究染色体融合对人类健康的有害影响。

“[研究人员]现在有了这个漂亮的工具包。..他们可以做很多非常聪明的CRISPR工程，”未参与这项研究的西雅图FredHutchinson癌症中心的进化生物学家HarmitMalik告诉TheScientist。“这是一场绝技。..许多我们认为不可能以遗传方式解决的问题现在完全可以通过基因方式解决。”

请参阅：“染色体中的混乱如何帮助驱动癌症传播”

大多数物种都有固定数量的染色体，即在细胞分裂过程中组织和分离细胞DNA的紧密盘绕的线状结构。在许多生物体的进化历史中，染色体可能会分裂并融合在一起，从而导致深刻的生理和行为变化。这些变化甚至可能是物种形成的重要驱动力，但科学家们缺乏这一假设的直接证据，因为他们只能在自然界中观察到这种现象。

染色体融合在癌症中也很常见，并且与健康问题有关，包括不孕症、非整倍体和儿童疾病。因此，研究人员长期以来一直在寻求精确操纵模式生物(尤其是哺乳动物)染色体的能力，以期从医学和进化的角度研究融合。

请参阅：“简化的人工染色体创建”

为了在小鼠体内融合染色体，研究人员使用了他们首先在酵母中开发的技术：简而言之，他们将改良的单倍体小鼠胚胎干细胞朋友(haESCs)与CRISPR-Cas9系统一起注射，该系统靶向并消除两条特定染色体上的端粒和着丝粒。结果，目标染色体将自身压缩在一起。

总之，研究人员创建了三个不同的融合线。对于其中两个，研究人员将两条最长的小鼠染色体(Chr1和Chr2)融合在一起，但在一次融合中，第二条染色体被倒置(Chr2+1)，而不是右侧向上(Chr1+2)——而且由于某种原因，在后者中，1号染色体的一部分分裂出来加入了17号染色体，因此融合的染色体要小一些。他们还连接了四号和五号染色体(Chr4+5)，以创建单独的一批haESC。

所有这三种haESC细胞系都可以分裂和生长，尽管该团队努力在Chr2+1细胞中维持单倍体。这些细胞有变成息肉状的倾向，这可能是因为其中一些细胞的染色体没有正确分裂，所以有些细胞在有丝分裂后会产生额外的细胞。这向研究人员发出信号，表明在开始发生排序错误之前，小鼠染色体的大小可能存在限制。

然后，他们试图通过将染色体融合的haESC注射到野生型卵母细胞中来创造具有这些新的单倍体核型的小鼠。但是有一个问题：细胞正在印记，这意味着母体基因在受精后被表观遗传沉默。印记会导致胚胎生长过快并消耗母亲的资源，因此研究人员消除了haESC中的三个印记基因——并解决了这个问题。马利克说，既然研究人员已经克服了印记现象，“就基因工程而言，世界就是他们的牡蛎。”

俄勒冈大学的进化生物学家JohnPostlethwait没有参与这项工作，他在给科学家的一封电子邮件中写道，令他震惊的是，“有可能在培养物中培养哺乳动物单倍体细胞，用Crisprs敲打它们的基因组，并且然后将单倍体细胞注射到未受精卵中，培育出一只小老鼠。太棒了。”

具有融合染色体的小鼠确实表现出一些来自基因改造的有害后果。Ch2+1小鼠根本没有发育，而Chr1+2小鼠长到成年但不能生育。Chr1+2小鼠的生长速度也比正常小鼠快得多，并且“在针对焦虑的开放场地测试中表现出高度的焦虑，”该研究的合著者、中国科学院的合成生物学家王立斌在一封电子邮件中写道，科学家。该团队将这些表型效应归因于Capn11的变化基因表达，一种编码被认为对精子发生很重要的蛋白质的基因，在Ch1+2小鼠中低于正常小鼠。“虽然遗传信息的变化是有限的，但动物染色体的融合可能会产生深远的表型效应，”Wang写道。

另一方面，Chr4+5小鼠可以产生后代并与正常小鼠交配。但当它们这样做时，它们的窝产仔数很小，这表明它们可能在减数分裂过程中出现了异常的染色体分选，Wang说。

马利克说他自己的兴趣在于减数分裂，尤其是某些染色体融合如何使一些卵细胞比其他卵细胞具有竞争优势。他说，科学家们现在可以以一种可控的方式研究这种现象，并确定哪些融合更有可能转移到小鼠的下一代。他还说，这个工具包也将对癌症研究人员有用，他们现在可以“突然模拟”癌细胞中发生的“基因组的非常戏剧性的重排”。

Postlethwait写道，这项研究“是重新设计脊椎动物染色体的大胆尝试”，它还可以帮助检验关于染色体如何进化的各种理论。Postlethwait曾研究过南极鱼，这些鱼可能有许多融合的染色体，因此他说他特别有兴趣看到对鱼类染色体融合的研究。他说，这项新研究将使研究人员能够“理解[关于]限制和选择压力的进化问题。..染色体融合发生。”