BioArt按

最近幾年，技術(shù)方法的巨大進步帶動了染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)研究的逐步興起。其中的核心生物學問題之一是，染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)相互作用的變化會對生物產(chǎn)生多大的影響。一個大膽的想法是，以簡單的真核模式生物釀酒酵母為例，如果大幅度改變其染色體的空間結(jié)構(gòu)（比如將16條染色體融合成單條染色體），酵母是否還能正常生長？剛剛在線“背靠背”發(fā)表的兩篇Nature論文給出了部分答案。其中一篇長文（Article）出自中科院上海植生所與生化細胞所的合作研究團隊，另一篇則出自紐約大學的研究團隊。為了讓讀者深入、準確地了解融合酵母染色體相關研究的重要意義，BioArt特別邀請到長期從事酵母基因組設計合成的天津大學化工學院元英進教授和吳毅副教授，以及中科院深圳先進技術(shù)研究院戴俊彪研究員對相關工作進行解讀和點評。

責編丨迦   溆

解讀丨吳毅、元英進（天津大學）

點評丨戴俊彪 中科院深圳先進技術(shù)研究院

自然界真核生物的染色體條數(shù)各異，既有只包含1條染色體的雄蟻Myrmecia pilosula，也有含223條染色體的蝴蝶Polyommatus atlantica【1,2】。即使是基因組大小相近的、同屬于酵母的釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae ~12Mb）和粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe ~14Mb)，前者單倍體擁有16條染色體，后者卻只有3條染色體。染色體的數(shù)目對真核生物是否有明確的生物學意義？染色體的數(shù)目變化在物種進化的歷程中是偶然的還是必然的？

北京時間8月2日，來自中科院上海生命科學研究院植物生理生態(tài)研究所的覃重軍課題組、趙國屏院士課題組以及中科院生化細胞所周金秋課題組組成的合作團隊與紐約大學系統(tǒng)遺傳學研究所（ISG）的Jef Boeke團隊在Nature背靠背發(fā)表了關于酵母染色體融合重塑基因組結(jié)構(gòu)的研究論文，兩支團隊從包含16條染色體（大小區(qū)間為230kb-1532kb）的釀酒酵母出發(fā)，采用層級融合染色體策略，分別獲得僅有1條和2條染色體的酵母細胞。令人意外的是，這些重塑基因組結(jié)構(gòu)的酵母細胞展現(xiàn)出與野生型細胞相似的轉(zhuǎn)錄組水平和表型。該工作對于重新認知基因組結(jié)構(gòu)的魯棒性以及染色體結(jié)構(gòu)和功能對真核生物進化的影響有極其重要的價值。

在文章發(fā)表之前，我們對兩支團隊的工作已經(jīng)有所了解，這兩支團隊雖然都在釀酒酵母中做簡化染色體數(shù)目的研究，但從一開始就是各自獨立開展工作的。前人發(fā)表的關于酵母染色體融合的工作包括：兩條最長染色體IV和XII的融合（長3.2Mb），VII、V、XV和IV四條染色體的融合（長4.3Mb），二者均未出現(xiàn)顯著的生長缺陷【3,4】。那么是否可以進一步簡化染色體數(shù)量，直至1條？

酵母染色體融合的策略。圖片來源于：https:///10.1038/d41586-018-05309-4

這兩篇論文采用了相似的染色體融合技術(shù)：保持基因含量基本不變，通過CRISPR-Cas9高效敲除待融合染色體多余的著絲粒和端粒，并且通過釀酒酵母的同源重組機制來實現(xiàn)染色體的逐輪融合。最終，覃重軍等首次得到只包含1條染色體的酵母細胞，而Jef實驗室在嘗試不同策略后只得到含有2條染色體的酵母細胞。這背后的原因和機制作者暫時沒有闡述清楚，推測原因可能涉及：兩篇論文有不同的染色體融合路徑，最終染色體的排列順序以及著絲粒位置并不一樣，這可能會影響最終單條染色體的成功融合；覃重軍等刪除了亞端粒區(qū)的19個重復區(qū)間，而Jef實驗室并未改變這些序列，此外，在逐級融合過程中基因組會產(chǎn)生一些DNA變異（SNP、Indel等），兩套基因組在遺傳背景上的差別也可能干擾最終的融合。

值得一提的是，覃重軍等在論文中利用Hi-C技術(shù)表征了含有1條、2條、9條和16條染色體的酵母基因組3D結(jié)構(gòu)。與野生型菌株相比，在只有1條染色體的酵母細胞中，幾乎所有（99.7%）的染色體間顯著相互作用都消失了，并且引入了一些新的染色體間相互作用，與此同時，67.4%的染色體內(nèi)相互作用也消失了。非常有趣的是，論文還表征了更加細微的基因尺度的染色質(zhì)相互作用，結(jié)果顯示，包含不同染色體數(shù)目的酵母有很相似的局部染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。基于這些數(shù)據(jù)，作者推測，在酵母中染色體間相互作用對總體基因轉(zhuǎn)錄影響很小，真正影響的可能是局部的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。

Jef等的論文中針對染色體數(shù)目與產(chǎn)生生殖隔離關系開展了創(chuàng)新研究。通過系統(tǒng)地將不同染色體數(shù)目的酵母與含有16條染色體的野生型酵母回交，作者發(fā)現(xiàn)，在含有8條或更少數(shù)目染色體的酵母回交實驗中，僅有不到1%的生孢率，并且沒有存活的孢子產(chǎn)生，而減少數(shù)目染色體同型交配可以有正常的生孢率和孢子活力。作者認為8條染色體的酵母就足以與野生型酵母產(chǎn)生生殖隔離。具體數(shù)字為何是“8”？這是一個將來可以深入研究的有趣問題。

不過酵母染色體的數(shù)目真的可以任意改變了嗎？事實上，覃重軍等在論文中也展示了僅含單條染色體的酵母與野生型酵母在競爭生長條件下有明顯生長劣勢，雖然二者單獨培養(yǎng)并沒有顯著生長差異。此外，單條染色體酵母同型交配產(chǎn)生的二倍體酵母在有絲分裂中有1/3會出現(xiàn)染色體數(shù)目異常。這些現(xiàn)象特別有意義，都是將來可以深入探討的。

合成生物學的魅力正是通過重塑去重新認知。這兩項融合酵母染色體的工作是對真核生物基因組結(jié)構(gòu)改造的創(chuàng)新探索，為進化和演化的研究提供了全新的認知。祝賀兩支團隊！

文章第一作者為中科院植生所邵洋洋博士，覃重軍研究員、薛小莉副研究員、趙國屏院士、周金秋研究員為本文共同通訊作者。菲沙基因在此研究中承擔了三維基因組的實驗及分析工作，另外還包括酵母基因組的三代測序和完成圖的 de novo 組裝工作。

專家點評

戴俊彪（中國科學院深圳先進技術(shù)研究院PI，國家“杰青”）

在自然界漫長的進化過程中，不同生物逐漸形成了自身特有的基因組，包括相對較為穩(wěn)定的DNA序列和固定的染色體數(shù)目。幾乎所有的真核生物都包含數(shù)目不等的多條染色體。然而一些基本的生物學問題，比如：染色體數(shù)目是否與該生物的功能具有相關性？以及染色體的數(shù)目是否具有可變性？雖然一直受到科學家的關注，但限于技術(shù)的障礙，從未能夠進行實驗驗證。

釀酒酵母是一種模式單細胞真核生物，每個單倍體細胞內(nèi)包含有16條線性染色體。成熟的遺傳工具和強大的同源重組能力使得釀酒酵母成為第一個正在被人工設計并合成的真核生物（Sc2.0）。隨著近幾年來CRISPR技術(shù)的飛速發(fā)展，人們極大地提高了基因組編輯的能力，這也為回答染色體數(shù)目是否具有可變性這個問題提供了方案。在本期Nature上，同時發(fā)表了來自紐約大學醫(yī)學院的Jef Boeke教授和中國科學院植物生理研究所覃重軍研究員課題組的兩篇文章，分別將釀酒酵母中的16條染色體融合獲得只具有兩條或者一條染色體的細胞。

一條完整的真核線性染色體包含一個用于染色體分離的著絲粒和兩個用于保護染色體末端的端粒。為了實現(xiàn)兩條染色體的融合，不僅僅需要將兩條染色體的兩個端粒去除后相互連接起來，同時還需要將兩條染色體中一條的著絲粒去除，從而保證染色體在細胞分裂過程中正常的分離。兩個課題組都利用CRISPR技術(shù)，通過設計特定的剪切位點，以及提供同源DNA序列而克服了這一技術(shù)難題。在其中一個研究中，Luo等人首先將所有的小染色體融合到了一起，獲得帶有12條染色體的酵母。隨后通過進一步的融合，獲得帶有8條染色體的酵母。依次類推，最終獲得了帶有兩條染色體的酵母。在整個染色體融合過程中，他們始終保證所獲得的染色體在長度上是接近的。然而在最后一步將兩條染色體融合成一條的過程中，盡管經(jīng)過了很多次的嘗試，他們始終無法獲得存活的，僅有一條染色體的細胞。在另一個研究中，Shao等人將不同的染色體通過一次融合兩條的方式，進行了15輪操作，最終幸運的獲得了僅帶有一條染色體的酵母菌株。無法將兩條染色體融合成一條的原因依然未知，也許通過比較帶有兩條和一條染色體酵母的差異，可以幫助解決這個問題。

通過對所得帶有兩條或者一條染色體的菌株進行分析，兩個課題組都發(fā)現(xiàn)染色體數(shù)目減少后的細胞在形態(tài)上和野生型類似，在生長上僅出現(xiàn)較小的差異。染色體數(shù)目的減少僅導致少量的基因表達發(fā)生差異。相比之下，只有一條染色體的菌株對生長有較大的影響。在和野生型細胞的競爭性生長過程中，僅有一條染色體的細胞會被很快的淘汰，而帶有兩條染色體的細胞只顯示出較小的生長弱勢。此外，染色體數(shù)目減少對同源二倍體細胞減數(shù)分裂的產(chǎn)孢并沒有產(chǎn)生顯著的影響，但染色體數(shù)目減少的細胞與帶有16條染色體的野生型細胞結(jié)合后所得的二倍體，產(chǎn)孢會收到顯著的影響。

野生型酵母染色體在細胞核中可以形成較為穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)，其特征是所有的著絲粒會聚集在一起，位于細胞核的一端。而所有染色體短臂的端粒和長臂的端粒都會聚集在一起，位于細胞核的核膜附近。當細胞中所有的染色體被融合在一起后，Shao等人的研究發(fā)現(xiàn)，染色體之間的相互作用發(fā)生了急劇的改變，然而染色體內(nèi)的相互作用仍被部分保留了。

這是人類首次通過實驗手段系統(tǒng)地、大規(guī)模地改造一個物種的染色體數(shù)目。這兩篇論文的研究結(jié)果表明，自然進化而成的現(xiàn)有真核生物（至少釀酒酵母）染色體數(shù)目與功能之間并不存在直接的決定關系，染色體的數(shù)目可以人為改變，且不會顯著影響細胞生長。帶有一條或者兩條染色體的酵母，可以作為一個新的研究平臺，增進我們對染色體重組、復制和分離機制的解析，具有重要的意義。此外，這兩個研究的結(jié)果也說明釀酒酵母對染色體的長度沒有限制（至少可以長達12Mbp），這為利用酵母構(gòu)建高等生物的新染色體提供了理論依據(jù)，有利于后續(xù)GP-write項目的開展。

參考文獻

1. Crosland M.W.J, et al. Myrmecia pilosula,an Ant with Only One Pair of Chromosomes. Science. 1986

2. Lukhtanov VA (2015) The blue butterfly Polyommatus (Plebicula) atlanticus (Lepidoptera, Lycaenidae) holds the record of the highest number of chromosomes in the non-polyploid eukaryotic organisms. Comparative Cytogenetics 9(4): 683–690. doi: 10.3897/CompCytogen.v9i4.5760

3. Neurohr, G. et al. A midzone-based ruler adjusts chromosome compaction to anaphase spindle length. Science 332, 465–468 (2011).

4. Titos, I., Ivanova, T. & Mendoza, M. Chromosome length and perinuclear attachment constrain resolution of DNA intertwines. J. Cell Biol. 206, 719–733 (2014)

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