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最近，中國科學家在實驗中實現了哺乳動物在自然環境中，經過 100 萬年才會自然出現的基因改變，在更大的時間尺度上揭示了基因演化對于生命的意義。

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哺乳動物的染色體重排

在細胞分裂時，真核生物的 DNA 會聚合形成染色體，它是一種致密的棒狀結構，由 DNA 纏繞組蛋白后，通過多種方式折疊形成。在人類細胞中，展開后長達 2 米的 DNA 序列最終會被壓縮到 46 條數微米長的染色體中。

可以說，染色體是 DNA 在特定時期的存在形式。它出現在細胞增殖和真核生物繁殖的過程，參與了細胞 2 種形式的分裂過程，分別是有絲分裂和減數分裂。在這 2 個過程中，染色體會發生一些改變，如正常的染色體重組（同源染色體之間的交換）和一些不正常的染色體重排，包括染色體易位（非同源染色體之間的交換）、倒位（一段染色體片段翻轉 180 度后，插回原來的位置）、缺失和重復，以及罕見的不同染色體的融合（兩條染色體連接在一起）。

在自然條件下，生物在演化時通常需要經過大約 100 萬年的時間，才會出現一次染色體融合（chromosome fusion）。" 但從更長的時間尺度來看，家鼠通過染色體重排來實現核型（一個生物體的染色體組）的改變，還比較常見。嚙齒類動物每百萬年有 3.2～3.5 次染色體重排，而靈長類動物是 1.6 次。" 中國科學院動物研究所、干細胞與生殖生物學國家重點實驗室的副研究員李治琨表示，這些微小的改變可能會產生重大的影響。在靈長類動物中，1.6 次染色體重排造就了人類（46 條染色體）和大猩猩（48 條染色體）的差異。

大猩猩的核型中 2 條獨立的染色體在人類的染色體組中是融合的（1 次）。此外，人類祖先的 2 條染色體通過相互易位（0.6 次），產生了大猩猩的 2 條不同的染色體。而單個個體的生命歷程中，染色體重排或易位常常意味著不幸，因為可能導致染色體缺失或多余，進而導致罕見病的出現。

8 月 25 日，中國科學院動物研究所的科學家在一篇發表于《科學》的研究中，開發了一種新的技術首次實現了哺乳動物的人工染色體融合（chromosome fusion），在實驗室實現了家鼠（Mus musculus）需要經過 100 萬年的演化，才能出現的基因組改變。

在實驗中，科學家將家鼠胚胎干細胞中的 4 號染色體和 5 號染色體首尾，并得到了具有 Chr4+5 核型的家鼠。圖片源于論文

這項研究成果也提供一個關鍵的視角，幫助科學家觀察染色體重排如何影響物種的演化。這也是首次，科學家在哺乳動物細胞中人工實現了染色體融合，且成功使得實驗室的家鼠具有了新的、可持續的染色體組。

關鍵的挑戰

" 正常情況下，實驗室中培養的家鼠都具有 40 條染色體。盡管已經經歷了 100 多年的人工培育，但它們的染色體依然沒有明顯的改變。" 李治琨說道。他還表示，染色體的穩定性，能幫助我們理解生命在較短時間尺度上的基因變化。而擁有了改造染色體的能力，我們才能在更長的時間跨度上來理解物種基因是如何改變，包括如何糾正一些染色體重排，例如異位、融合等。

2018 年，在一篇發表于《自然》的研究中，中國科學院分子植物科學卓越創新中心的覃重軍團隊成功改造了單倍體酵母的染色體組，酵母中原來的 16 條染色體，進行了 15 次融合，并通過基因編輯技術去除染色體著絲粒和兩端的端粒，制造出了只具有一條線性染色體的酵母 SY14 菌株，而酵母并沒有表現出明顯的生殖缺陷。

不過，科學家一直沒有成功將這項技術轉移到哺乳動物身上。據新研究的共同第一作者、中國科學院北京干細胞與再生醫學研究所研究員王立賓介紹，研究的挑戰在于需要從未受精的家鼠胚胎中提取干細胞，這意味著獲得的細胞僅包含一組染色體。

在二倍體細胞中，兩組染色體會通過排列、協調產生生物體的遺傳學性狀。染色體上存在一些基因印記，對于等位基因（同源染色體相同位置的一對基因）來說，顯性基因可能被標記為活躍，而隱性基因被標記為不活躍。這個過程可以通過科學方法來進行操縱，但在此前對哺乳動物細胞的研究中，人工修改的印記信息并沒有保留下來。

" 基因印記經常會丟失，這意味著在單倍體胚胎干細胞中，哪些基因應該活躍的印記信息消失，就會限制了它們的多能性以及基因改造等，" 王立賓說， " 我們最近發現通過刪除 3 個印記區域，就可以在胚胎干細胞中建立穩定的、類似精子的印記模式。" 研究人員通過基因工程技術，修改了細胞中這 3 個區域自然的基因印記，并賦予了細胞人工設計的印記模式，使它們能夠促進特定的染色體的融合。

他們通過將胚胎干細胞中兩條中等大小的染色體—— 4 號（Chr4）和 5 號染色體（Chr5）——首尾相連，獲得了一種新的核型 Chr4+5，以及通過 2 種方式來連接細胞中兩條最大的染色體 1 號（Chr1）和 2 號染色體（Chr2），獲得了另外 2 種核型，分別是 Chr1+2 和 Chr2+1，從而獲得了具有 3 種不同核型的胚胎干細胞。

科學家采取的具體實驗流程：提取單倍體的胚胎干細胞，對其進行基因和染色體改造，獲得具有新核型的二倍體細胞，使其發育成胚胎、個體。圖片源于論文

研究人員制造出了 3 種新核型的胚胎干細胞，下圖為連接的染色體在電鏡下的照片。圖片源于論文

由于 Chr1 和 Chr2 連接后形成的染色體過長，會影響染色體的分裂，導致細胞多倍體化進而死亡，他們將 Chr1+2 和 Chr2+1 胚胎干細胞中的部分染色體片段轉移到了 Chr17 上。

在之后的培養中，這些細胞的基因表達和野生型家鼠的細胞并沒有差別。研究人員將這些細胞的細胞核注入到家鼠卵母細胞中，獲得了形成二倍體的胚胎干細胞。最終，他們獲得了 113 個 Chr4+5 核型的家鼠胚胎、355 個 Chr1+2 家鼠胚胎以及 365 個 Chr2+1 家鼠胚胎，并將其轉移到代孕鼠子宮內。

家鼠的改變

他們發現 Chr2+1 胚胎壽命均不足 12.5 天，無法形成足月的家鼠。Chr1+2 胚胎能發育成足月的家鼠，但和 Chr4+5 胚胎發育成的家鼠相比，這些家鼠長大后體型會更大，在實驗測試中表現得更焦慮，且運動距離更短，運動速度會更慢。

只有 2 種新核型的胚胎最終發育成了足月的家鼠。圖片源于論文

為了了解這種情況出現的原因，研究人員分析了 Chr1+2 家鼠多個器官中的基因表達，包括大腦、肺、心臟和肝臟等。在這些器官特異性表達的 2000 多個基因中，有 50 多個基因出現了差異性表達，而其中有 26.4% 的基因位于 Chr1、Chr2 和 Chr17 上。

具有 Chr4+5 核型的家鼠體型更大，但也更焦慮和笨拙。圖片源于論文

研究人員發現，存在于 Chr17 上的基因 Capn11 會表達一種依賴鈣離子的蛋白酶，而在家鼠所有的器官中，這個基因的表達都下降了。而人工敲除野生家鼠的該基因，也會導致它們出現和 Chr1+2 家鼠一樣的特征，比如變得更加焦慮。實際上，Capn11 的功能是因為 Chr17 的改變而受到了影響。它的功能會受到其他區域基因序列的調控，而 Chr17 的改變會導致這個過程出現異常。

后續，研究人員還測試了這些家鼠的生殖能力，只有 Chr4+5 核型的家鼠和野生家鼠交配形成了后代，但成功的幾率比普通的實驗室家鼠低得多。研究人員發現，生育力減弱是由于染色體在排列后，在細胞分離過程中，染色體分離方式異常所引起的。王立賓解釋說，這一發現證明了染色體重排建立生殖隔離的重要性，這是新物種出現的關鍵演化標志。

" 我們在實驗中制造的家鼠會出現一些異常的行為，有的會在出生后過度生長等，而另一些會顯示出繁殖力下降。這些現象均表明，盡管實驗中我們對遺傳信息的改變比較有限，但動物染色體的融合可能會產生深遠的影響，" 李說。 " 在實驗室家鼠模型中，我們通過一個能固定單倍體胚胎干細胞基因印記的平臺和基因編輯，證明染色體重排事件是物種進化的驅動力，對物種間的生殖隔離形成很重要，這也大規模工程化哺乳動物中的 DNA 提供了一個潛在的途徑。"

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