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Nature突破丨中国学者创造单条融合染色体酵母

自然界真核生物的染色体条数各异,既有只包含1条染色体的雄蚁Myrmecia pilosula,也有含223条染色体的蝴蝶Polyommatus atlantica【1,2】。即使是基因组大小相近的、同属于酵母的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae ~12Mb)和粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe ~14Mb),前者单倍体拥有16条染色体,后者却只有3条染色体。染色体的数目对真核生物是否有明确的生物学意义?染色体的数目变化在物种进化的历程中是偶然的还是必然的?

北京时间8月2日,来自中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所的覃重军课题组、赵国屏院士课题组以及中科院生化细胞所周金秋课题组组成的合作团队与纽约大学系统遗传学研究所(ISG)的Jef Boeke团队在Nature背靠背发表了关于酵母染色体融合重塑基因组结构的研究论文,两支团队从包含16条染色体(大小区间为230kb-1532kb)的酿酒酵母出发,采用层级融合染色体策略,分别获得仅有1条和2条染色体的酵母细胞。令人意外的是,这些重塑基因组结构的酵母细胞展现出与野生型细胞相似的转录组水平和表型。该工作对于重新认知基因组结构的鲁棒性以及染色体结构和功能对真核生物进化的影响有极其重要的价值。

文章一:Creating a functional single-chromosome yeast

文章二:Karyotype engineering by chromosome fusion leads to reproductive isolation in yeast

在文章发表之前,我们对两支团队的工作已经有所了解,这两支团队虽然都在酿酒酵母中做简化染色体数目的研究,但从一开始就是各自独立开展工作的。前人发表的关于酵母染色体融合的工作包括:两条最长染色体IV和XII的融合(长3.2Mb),VII、V、XV和IV四条染色体的融合(长4.3Mb),二者均未出现显著的生长缺陷【3,4】。那么是否可以进一步简化染色体数量,直至1条?

酵母染色体融合的策略。图片来源于:https://doi.org/10.1038/d41586-018-05309-4

这两篇论文采用了相似的染色体融合技术:保持基因含量基本不变,通过CRISPR-Cas9高效敲除待融合染色体多余的着丝粒和端粒,并且通过酿酒酵母的同源重组机制来实现染色体的逐轮融合。最终,覃重军等首次得到只包含1条染色体的酵母细胞,而Jef实验室在尝试不同策略后只得到含有2条染色体的酵母细胞。这背后的原因和机制作者暂时没有阐述清楚,推测原因可能涉及:两篇论文有不同的染色体融合路径,最终染色体的排列顺序以及着丝粒位置并不一样,这可能会影响最终单条染色体的成功融合;覃重军等删除了亚端粒区的19个重复区间,而Jef实验室并未改变这些序列,此外,在逐级融合过程中基因组会产生一些DNA变异(SNP、Indel等),两套基因组在遗传背景上的差别也可能干扰最终的融合。

值得一提的是,覃重军等在论文中利用Hi-C技术表征了含有1条、2条、9条和16条染色体的酵母基因组3D结构。与野生型菌株相比,在只有1条染色体的酵母细胞中,几乎所有(99.7%)的染色体间显著相互作用都消失了,并且引入了一些新的染色体间相互作用,与此同时,67.4%的染色体内相互作用也消失了。非常有趣的是,论文还表征了更加细微的基因尺度的染色质相互作用,结果显示,包含不同染色体数目的酵母有很相似的局部染色质结构。基于这些数据,作者推测,在酵母中染色体间相互作用对总体基因转录影响很小,真正影响的可能是局部的染色质结构。

Jef等的论文中针对染色体数目与产生生殖隔离关系开展了创新研究。通过系统地将不同染色体数目的酵母与含有16条染色体的野生型酵母回交,作者发现,在含有8条或更少数目染色体的酵母回交实验中,仅有不到1%的生孢率,并且没有存活的孢子产生,而减少数目染色体同型交配可以有正常的生孢率和孢子活力。作者认为8条染色体的酵母就足以与野生型酵母产生生殖隔离。具体数字为何是“8”?这是一个将来可以深入研究的有趣问题。

不过酵母染色体的数目真的可以任意改变了吗?事实上,覃重军等在论文中也展示了仅含单条染色体的酵母与野生型酵母在竞争生长条件下有明显生长劣势,虽然二者单独培养并没有显著生长差异。此外,单条染色体酵母同型交配产生的二倍体酵母在有丝分裂中有1/3会出现染色体数目异常。这些现象特别有意义,都是将来可以深入探讨的。

合成生物学的魅力正是通过重塑去重新认知。这两项融合酵母染色体的工作是对真核生物基因组结构改造的创新探索,为进化和演化的研究提供了全新的认知。祝贺两支团队!

 

文章第一作者为中科院植生所邵洋洋博士,覃重军研究员、薛小莉副研究员、赵国屏院士、周金秋研究员为本文共同通讯作者。菲沙基因在此研究中承担了三维基因组的实验及分析工作,另外还包括酵母基因组的三代测序和完成图的 de novo 组装工作。

 

参考文献

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)

作者: yuanyingjin

天津大学副校长,制药工程系教授,博士研究生导师。中国药学会制药工程副主任委员;教育部制药工程专业教学指导分委员会委员;教育部化学化工学部委员;化工学报、过程工程学报编委。



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