現代人演化的關鍵源於人與黑猩猩的共同祖先體內兩條染色體的頭對頭融合。但這一事件發生的具體機制是什麼？染色體頭對頭的融合是如何發生的？染色體融合對生物體有何影響和意義？

李勁松團隊研究證實著絲粒的斷裂導致的染色體融合是染色體演化的原因，真核生物基因組組裝的系統穩健性（robustness）是染色體演化的重要基礎。該研究也為哺乳動物進行染色體結構的改造、動物新核型亞種的創造以及染色體結構變異疾病的模擬提供了可行的技術路線，開啟了以小鼠為代表的哺乳動物染色體遺傳改造的新領域。

9月21日，國際學術期刊cell research線上發表了中國科學院分子細胞科學卓越創新中心（生物化學與細胞生物學研究所）李勁松研究員團隊題為“creation of artificial karyotypes in mice reveals robustness of genome organization”的文章，報道了基於類精子幹細胞介導半克隆技術，透過crispr/cas9靶向染色體重複序列，實現小鼠染色體融合改造，建立全新的穩定傳遞的染色體改造純和小鼠品系，揭示了染色體融合的機制，並提示真核生物基因組組裝的系統穩健性（robustness）是染色體演化的重要基礎。

圖：類精子幹細胞中小鼠二號染色體和x染色體以頭對頭形式融合形成雙臂染色體（紅色：端粒；白色：著絲粒：綠色：近著絲粒）

此項研究開發了基於類精子幹細胞技術的小鼠染色體改造的研究系統，利用此技術可以建立染色體融合小鼠品系，成功模擬了自然界中經由漫長演化時間的積累才會發生的染色體重排事件，為實現哺乳動物的染色體重排改造邁出關鍵一步。

開啟哺乳動物染色體

遺傳改造的新領域

受2018年中科院上海植生所創造的

新的單一環形酵母染色體啟發，

李勁松團隊開啟了

哺乳動物染色體遺傳改造研究。

“酵母是單倍體細胞，

那我們是否也能在

同樣擁有單倍體細胞的哺乳動物裡，

開展類似的工作？

在細胞上進行染色體改造，

透過顯微受精產生動物。”

但是面對更為複雜的哺乳動物，

在個體水平改造染色體

在技術上面臨很大的困難和挑戰。

李勁松團隊申請了

科技部關於幹細胞的重點研發計劃，

“用類精子幹細胞介導半克隆技術，

實現小鼠個體層面的染色體改造。

在這個專案的框架下，

我們開展了幾個方向的研究。

此次cell research發表的文章，

就是其中的一個方向。”

染色體融合小鼠純合品系可以穩定配繁向後代傳遞融合染色體

以“類精子幹細胞”技術為基礎，李勁松團隊在小鼠中成功模擬了自然界中在漫長演化過程中發生的染色體重排事件。從1128個轉染著絲粒切割元件的單克隆細胞系中，建立了10株具有穩定的19條染色體的單倍體細胞系，其中有9株細胞系保持有基因組倍性平衡。為今後研究染色體改變對生命體的影響提供了一個新的方法。也證明了：

1

之前關於自然界染色體融合形成新的基因組的猜測是對的。著絲粒斷裂導致的染色體融合是染色體演化的重要原因。

2

染色體“頭對頭”的融合方式對細胞表達譜擾動極小。也就是說，染色體作為基因組的“零部件”，少數變化不會干擾到基因組在生物體內的正常“工作”。

3

以“類精子幹細胞”技術為基礎，構建染色體改造小鼠模型用於探討疾病和演化提供了可行的技術路線，開啟了哺乳動物染色體遺傳改造的新領域。

李勁松表示：

“我們這個工作就像是

open a window。

以前這個窗是關著的，

現在這個窗打開了，

給我們提供了一個研究染色體

在演化、在疾病中作用的機會。”

為什麼選擇類精子幹細胞

作為研究手段？

染色體的穩定與變化

是個體生存和物種演化的基礎，

是遺傳物質宏觀調控規律的一體兩面，

染色體數目和結構的變異

常常對個體造成不利影響，

新物種的形成

往往又伴隨複雜的染色體結構演化。

染色體融合影響與研究

（a）兩條獨立染色體“頭對頭”融合形成人類二號染色體的事件是人類物種進化中的重要事件。（b）染色體羅氏易位提升新生兒急性淋巴性白血病患病率，導致男性生育力下降和精子異常，誘發孕婦（攜帶者）自發流產和導致後代產生染色體三體相關綜合症。（c）利用基因編輯技術實現酵母染色體融合，創造單條染色體酵母。

現代人演化的關鍵正是源於

人與黑猩猩的共同祖先體內

兩條染色體的頭對頭融合。

像唐氏綜合症這類疾病

一般是由染色體異常造成的，

染色體環化同樣也會導致人類遺傳疾病。

一般來講，卵子和精子都無法在體外培養和增殖，也無法在基因層面進行操作。染色體所有的變化都無法在模式動物特別是小鼠中模擬。李勁松表示，“我們實驗室研究建立了類精子幹細胞技術，從只攜帶精子遺傳物質的胚胎中建立出一種幹細胞，可以在上面進行遺傳改造甚至是進行染色體改造。”

在研究中，科研人員可以在類精子幹細胞上隨意地進行基因編輯，並將它們與卵母細胞結合生產轉基因小鼠。對於生命科學研究來說，這無疑是一條更為準確和高效地獲取轉基因研究動物的途徑。

即使只有百分之一的成功率……

研究過程中遇到了哪些挑戰和瓶頸？您的解決方案是什麼？

我們最初的想法是將crispr-cas9系統直接注射受精卵中，進行靶向切割著絲粒核心重複序列。

實驗之後，我們發現這根本行不通，因為它會造成非常嚴重的dna的損傷，導致胚胎無法發育。同樣，我們無法保證此項研究在類精子幹細胞中能夠實驗成功。

在前期，我們做了很多探索。然而最初發現效率十分低下。據統計，成功率大概只有百分之一左右。但即便只有一個成功，我們就很開心了，因為這個細胞最後可能變成細胞系，將來就有很足夠的細胞來產生小鼠。

另一方面，所有染色體的分析，對我們實驗室而言也是一項全新的研究。我們需要建立各種各樣的染色體分析方法，做大量細胞核型分析，這對於我們來說也是一個新的挑戰。

目前，我們還在不斷地最佳化條件，使染色體分析方法更加高效。

目前您在生命科學領域最關注的焦點是什麼？

我最關注的還是我們建立的類精子幹細胞介導半克隆技術體系的完善和應用。

我非常關注拓展基於類精子幹細胞的其他應用場景。比如我們正在做的基因組標籤計劃，這也是我們非常想要做成功的一件事情。這件事情一旦做成功了，不光對中國的生命科學研究產生一定的影響，也一定會對全世界做生命科學研究的科學家提供一個很好的研究平臺和研究資源。

此次cell research發表的染色體層面的改造是我們新拓展的一個點，後面，我們也會圍繞染色體改造持續深入研究。

上觀號作者：上海科技