
類(lèi)精子干細(xì)胞中小鼠二號(hào)染色體和X染色體以頭對(duì)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)
(神秘的成功地球uux.cn)據(jù)中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心(生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所):9月21日,國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Cell Research在線(xiàn)發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心(生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所)李勁松研究組題為“Creation of artificial karyotypes in mice reveals robustness of genome organization”的模擬漫長(zhǎng)邁出文章,報(bào)道了基于類(lèi)精子干細(xì)胞介導(dǎo)半克隆技術(shù),演化海口外圍(海口外圍女)電話(huà)微信199-7144=9724提供一二線(xiàn)城市外圍預(yù)約、空姐、熟女、白領(lǐng)、老師、優(yōu)質(zhì)資源通過(guò)CRISPR/Cas9靶向染色體重復(fù)序列,染動(dòng)物實(shí)現(xiàn)小鼠染色體融合改造,色體事件建立全新的重排造關(guān)穩(wěn)定傳遞的染色體改造純和小鼠品系,揭示了染色體融合的哺乳機(jī)制,并提示真核生物基因組組裝的染色系統(tǒng)穩(wěn)健性(Robustness)是染色體演化的重要基礎(chǔ)。
染色體的體重穩(wěn)定與變化是個(gè)體生存和物種演化的基礎(chǔ),是排改遺傳物質(zhì)宏觀調(diào)控規(guī)律的一體兩面,染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)的鍵步變異常常對(duì)個(gè)體造成不利影響,而新物種的成功形成往往又伴隨復(fù)雜的染色體結(jié)構(gòu)演化。基于系統(tǒng)生物學(xué)研究,模擬漫長(zhǎng)邁出距今約3到4百萬(wàn)年前,演化人與黑猩猩的染動(dòng)物共同祖先內(nèi)部產(chǎn)生了染色體結(jié)構(gòu)上的分異,兩條獨(dú)立的染色體通過(guò)頭對(duì)頭(類(lèi)似羅氏易位,Robertsonian translocation)方式融合成為現(xiàn)代人的二號(hào)染色體(HSA2),這一改變可能直接導(dǎo)致了人類(lèi)始祖與黑猩猩始祖之間的生殖隔離,成為人類(lèi)物種進(jìn)化的關(guān)鍵性事件。然而,海口外圍(海口外圍女)電話(huà)微信199-7144=9724提供一二線(xiàn)城市外圍預(yù)約、空姐、熟女、白領(lǐng)、老師、優(yōu)質(zhì)資源這一事件發(fā)生的具體機(jī)制并不清楚。
實(shí)驗(yàn)室常用的小鼠(Mus musculus)的核型為40條染色體,在長(zhǎng)期配繁過(guò)程中保持染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,除Y染色體外,均為端著絲粒染色體(單臂染色體),這一點(diǎn)與人類(lèi)染色體差異巨大,人類(lèi)染色體中并未發(fā)現(xiàn)端著絲粒染色體的存在,而均以雙臂染色體形式存在(包括近端著絲粒染色體)。但是,在自然界中野生小鼠存在較為廣泛的染色體羅氏易位類(lèi)型(端著絲粒染色體頭對(duì)頭融合)亞種,有趣的是,自然界中羅氏易位類(lèi)型分布很不均衡,例如Rb(2,4)(2號(hào)和4號(hào)染色體融合)融合類(lèi)型和Rb(5,15)等融合類(lèi)型在亞洲,歐洲美洲各地廣泛分布,但是Rb(1,13)和Rb(2,9)等融合類(lèi)型目前在自然界中尚未見(jiàn)報(bào)道。這引起了一系列思考,染色體融合是如何發(fā)生的?為什么小鼠的染色體演化存在端著絲粒偏好性?不同類(lèi)型的染色體融合方式是否影響了細(xì)胞和個(gè)體的生命活動(dòng)?如何可以將小鼠的單臂染色體改造成更像人類(lèi)染色體的雙臂染色體?
2018年,中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)基于酵母的大規(guī)模染色體改造,利用頭對(duì)尾的融合方式成功將酵母染色體合并為一條,為染色體重排改造研究打開(kāi)了一扇窗,但是面對(duì)更為復(fù)雜的哺乳動(dòng)物,在個(gè)體水平改造染色體在技術(shù)上面臨很大的困難和挑戰(zhàn)。可以說(shuō)在單基因突變和多基因突變遺傳均可以高效建模的今天,攻克哺乳動(dòng)物染色體結(jié)構(gòu)變異建模是重要的任務(wù),而我國(guó)科學(xué)家獨(dú)創(chuàng)的類(lèi)精子干細(xì)胞技術(shù),為實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物個(gè)體水平染色體改造投來(lái)了光亮。2022年8月26日,中科院動(dòng)物研究所團(tuán)隊(duì)利用相似的頭對(duì)尾的融合方式成功獲得了三只19對(duì)染色體的小鼠(Science)。
李勁松研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)著絲粒核心基序Minor satellite(MinSat)設(shè)計(jì)了基于CRISPR/Cas9的靶向編輯方案,實(shí)現(xiàn)對(duì)著絲粒區(qū)域的靶向切割。將這樣的著絲粒靶向切割系統(tǒng)轉(zhuǎn)染到小鼠類(lèi)精子干細(xì)胞中,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小鼠兩條染色體在著絲粒區(qū)域以“頭對(duì)頭”融合的方式發(fā)生羅氏易位,形成雙臂染色體,成功模擬了自然界中在漫長(zhǎng)演化過(guò)程中發(fā)生的染色體重排事件。研究人員從1128個(gè)轉(zhuǎn)染著絲粒切割組件的單克隆細(xì)胞系中,建立了10株具有穩(wěn)定的19條染色體的單倍體細(xì)胞系,其中有9株細(xì)胞系保持有基因組倍性平衡。
染色體著絲粒斷裂融合形成了一個(gè)新的著絲粒,但是有趣的是,研究人員發(fā)現(xiàn),所有和小鼠二號(hào)染色體(Chr2)發(fā)生羅氏移位之后形成的雙臂染色體具有兩個(gè)獨(dú)立的著絲粒(MinSat富集區(qū)域)。進(jìn)一步分析,研究人員發(fā)現(xiàn),小鼠Chr2與其他染色體不同,在染色體末端就具有兩個(gè)著絲粒。由于雙著絲粒染色體會(huì)造成在有絲分裂中存在不穩(wěn)定性,容易造成染色體斷裂和基因組不穩(wěn)定性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),小鼠Chr2具有一個(gè)活化的著絲粒和一個(gè)失活的著絲粒。這一發(fā)現(xiàn)也暗示了小鼠Chr2染色體和其他染色體相比在進(jìn)化歷程中存在著特殊的著絲粒形成事件。
染色體融合事件對(duì)于細(xì)胞的生命活動(dòng)有什么樣的影響呢?研究人員對(duì)具有不同羅氏易位的細(xì)胞系進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析,結(jié)果令人驚訝,攜帶單條羅氏易位染色體的“類(lèi)精子干細(xì)胞”只具有最多不超過(guò)20個(gè)差異基因,這說(shuō)明染色體“頭對(duì)頭”的融合方式對(duì)細(xì)胞表達(dá)譜擾動(dòng)極小,有趣的是差異基因同時(shí)分布在參與融合和其余未參與融合的染色體上。
考慮到3D基因組結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)錄調(diào)控和進(jìn)化都是重要的,研究人員考察了染色體融合對(duì)3D基因組結(jié)構(gòu)的影響。羅氏易位細(xì)胞系和Wild-type細(xì)胞系比起來(lái),A/B compartment和TAD高度相似,此外接近90%的染色質(zhì)之間的顯著相互作用可以在羅氏易位細(xì)胞系和Wild-type細(xì)胞系中同時(shí)被檢測(cè)到。染色體融合直接拉進(jìn)了兩條染色體的物理距離,表現(xiàn)為兩條染色體之間相互作用更加頻繁,有趣的是,在著絲粒區(qū)域以及端粒區(qū)域,這種相互作用增強(qiáng)的趨勢(shì)更加明顯。此外,研究人員還發(fā)現(xiàn),小鼠Chr11與其余染色體相互作用在發(fā)生染色體融合后表現(xiàn)出較強(qiáng)的變化,即使其未參與到染色體融合事件。總體來(lái)講,染色體融合對(duì)基因組結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)調(diào)控影響較小,這也說(shuō)明細(xì)胞內(nèi)基因組結(jié)構(gòu)以及表達(dá)調(diào)控存在穩(wěn)態(tài)調(diào)控,體現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)健性(Robustness)。
類(lèi)精子干細(xì)胞具有替代精子使卵母細(xì)胞“受精”的能力,將染色體融合改造的類(lèi)精子干細(xì)胞注入卵子后可以產(chǎn)生健康“半克隆”小鼠,并可以通過(guò)繁育獲得攜帶純和融合染色體的小鼠品系,在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物的核型演化事件。本項(xiàng)研究中,研究人員一共成功建立了四個(gè)獨(dú)立的純和染色體融合小鼠品系,雌雄純和小鼠可自由配繁穩(wěn)定傳遞融合染色體。
接下來(lái)研究人員嘗試了在單重染色體融合的類(lèi)精子干細(xì)胞上進(jìn)行疊加切割,產(chǎn)生了二重甚至三重染色體融合的類(lèi)精子干細(xì)胞。有趣的是,隨著染色體融合事件的疊加,細(xì)胞差異基因數(shù)目逐漸增加,這些基因同樣也分布在參與融合和未參與融合的染色體上,這暗示了染色體融合事件的累積帶來(lái)轉(zhuǎn)錄組整體水平的擾動(dòng)。令人驚喜的是,多重融合的類(lèi)精子干細(xì)胞作為父源遺傳物質(zhì)供體依然可以支持半克隆小鼠的產(chǎn)生,一步實(shí)現(xiàn)多重染色體融合小鼠模型的建立。
綜上所述,本研究證實(shí)著絲粒的斷裂導(dǎo)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(tǒng)穩(wěn)健性(Robustness)是染色體演化的重要基礎(chǔ)。該研究也為哺乳動(dòng)物進(jìn)行染色體結(jié)構(gòu)的改造、動(dòng)物新核型亞種的創(chuàng)造以及染色體結(jié)構(gòu)變異疾病的模擬提供了可行的技術(shù)路線(xiàn),開(kāi)啟了以小鼠為代表的哺乳動(dòng)物染色體遺傳改造的新領(lǐng)域。
分子細(xì)胞卓越中心李勁松研究員為本文通訊作者,博士后張曉宇、晏萌,博士生楊振華、向浩為共同第一作者。該工作獲得分子細(xì)胞卓越中心唐蔚主管、柳欣研究員、裴鋼院士的大力支持。該工作也得到中心動(dòng)物實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)和細(xì)胞分析技術(shù)平臺(tái)的大力支持,并獲科技部、基金委、中科院以及上海市科委等部門(mén)的經(jīng)費(fèi)支持。(原標(biāo)題:李勁松組構(gòu)建染色體融合小鼠模型、模擬染色體演化過(guò)程)
文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41422-022-00722-x
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(神秘的地球uux.cn)據(jù)中國(guó)科學(xué)報(bào)(張雙虎 黃辛):近日,中科院院士、中科院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心(生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所)研究員李勁松研究組開(kāi)發(fā)出基于類(lèi)精子干細(xì)胞技術(shù)的小鼠染色體改造研究系統(tǒng)。利用該技術(shù),可以建立染色體融合小鼠品系,成功模擬了自然界中經(jīng)由漫長(zhǎng)時(shí)間演化才會(huì)發(fā)生的染色體重排事件,為實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物的染色體重排改造邁出關(guān)鍵一步。9月21日,相關(guān)研究成果在線(xiàn)發(fā)表于《細(xì)胞研究》。
染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是物種生存和繁衍的基礎(chǔ),而新物種的形成往往又伴隨著復(fù)雜的染色體結(jié)構(gòu)變化。例如,現(xiàn)代人演化的關(guān)鍵正是源于人與黑猩猩的共同祖先體內(nèi)兩條染色體的頭對(duì)頭融合。染色體頭對(duì)頭的融合是如何發(fā)生的?染色體融合對(duì)生物體有何影響和意義?為了回答這些問(wèn)題,科學(xué)家需要對(duì)生物體的染色體進(jìn)行改造。
哺乳動(dòng)物高度復(fù)雜,在哺乳動(dòng)物身上改造染色體技術(shù)面臨很大的困難和挑戰(zhàn),而我國(guó)科學(xué)家獨(dú)創(chuàng)的類(lèi)精子干細(xì)胞介導(dǎo)半克隆技術(shù),為實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物個(gè)體水平染色體改造帶來(lái)了曙光。
實(shí)驗(yàn)室常用小鼠有20對(duì)染色體,除Y染色體外,其余的染色體均為單臂染色體,形似字母“U”,著絲粒位于U形的底端。研究人員在類(lèi)精子干細(xì)胞中利用CRISPR-Cas9技術(shù)針對(duì)著絲粒進(jìn)行靶向切割,實(shí)現(xiàn)了兩條染色體 “頭對(duì)頭”的融合,形成攜帶一條X形雙臂染色體的類(lèi)精子干細(xì)胞。
將兩條染色體的著絲粒分別“切割”后再融合會(huì)“拼接”形成一個(gè)新的著絲粒,但所有和小鼠二號(hào)染色體發(fā)生融合形成的雙臂染色體都具有兩個(gè)獨(dú)立的著絲粒。
研究人員分析發(fā)現(xiàn),小鼠二號(hào)染色體與其他染色體不同,在染色體末端本身就具有一個(gè)活化的著絲粒和一個(gè)失活的著絲粒。和其他染色體相比,小鼠二號(hào)染色體進(jìn)化歷程中的著絲粒形成或許“與眾不同”。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),染色體融合會(huì)在空間上拉近兩條融合染色體,但是對(duì)整體基因組的表達(dá)以及整體基因組三維結(jié)構(gòu)影響很小。
“換言之,染色體作為基因組的‘零部件’,少數(shù)變化不會(huì)干擾基因組在生物體內(nèi)的正常‘工作’。”該論文共同第一作者、中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后張曉宇對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)。
類(lèi)精子干細(xì)胞可以充當(dāng)精子產(chǎn)生健康“半克隆”小鼠,進(jìn)一步通過(guò)繁育獲得了一系列攜帶一對(duì)融合染色體的小鼠品系(19對(duì)染色體)。最后,研究人員證明類(lèi)精子干細(xì)胞技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)染色體的多重融合并產(chǎn)生相應(yīng)的小鼠。
該研究證實(shí)著絲粒斷裂導(dǎo)致的染色體融合是染色體演化的重要原因,真核生物基因組的穩(wěn)健性是染色體演化的重要基礎(chǔ),為構(gòu)建染色體改造小鼠模型用于探討疾病和演化提供了可行的技術(shù)路線(xiàn),開(kāi)啟了哺乳動(dòng)物染色體遺傳改造的新領(lǐng)域。
“人與黑猩猩的共同祖先體內(nèi)兩條染色體的‘頭對(duì)頭’融合是現(xiàn)代人演化的關(guān)鍵事件。所以該研究非常有意義,未來(lái)可以構(gòu)建染色體改造小鼠模型用于探討疾病和演化。”李勁松說(shuō)。