近日，中科院院士、中科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）研究員李勁松研究組開發出基于類精子干細胞技術的小鼠染色體改造研究系統。利用該技術，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時間演化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。9月21日，相關研究成果在線發表于《細胞研究》。

染色體數目和結構穩定是物種生存和繁衍的基礎，而新物種的形成往往又伴隨著復雜的染色體結構變化。例如，現代人演化的關鍵正是源于人與黑猩猩的共同祖先體內兩條染色體的頭對頭融合。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？為了回答這些問題，科學家需要對生物體的染色體進行改造。

哺乳動物高度復雜，在哺乳動物身上改造染色體技術面臨很大的困難和挑戰，而我國科學家獨創的類精子干細胞介導半克隆技術，為實現哺乳動物個體水平染色體改造帶來了曙光。

實驗室常用小鼠有20對染色體，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。研究人員在類精子干細胞中利用CRISPR-Cas9技術針對著絲粒進行靶向切割，實現了兩條染色體 “頭對頭”的融合，形成攜帶一條X形雙臂染色體的類精子干細胞。

將兩條染色體的著絲粒分別“切割”后再融合會“拼接”形成一個新的著絲粒，但所有和小鼠二號染色體發生融合形成的雙臂染色體都具有兩個獨立的著絲粒。

研究人員分析發現，小鼠二號染色體與其他染色體不同，在染色體末端本身就具有一個活化的著絲粒和一個失活的著絲粒。和其他染色體相比，小鼠二號染色體進化歷程中的著絲粒形成或許“與眾不同”。

進一步研究發現，染色體融合會在空間上拉近兩條融合染色體，但是對整體基因組的表達以及整體基因組三維結構影響很小。

“換言之，染色體作為基因組的‘零部件’，少數變化不會干擾基因組在生物體內的正常‘工作’。”該論文共同第一作者、中國科學院分子細胞科學卓越創新中心博士后張曉宇對《中國科學報》說。

類精子干細胞可以充當精子產生健康“半克隆”小鼠，進一步通過繁育獲得了一系列攜帶一對融合染色體的小鼠品系（19對染色體）。最后，研究人員證明類精子干細胞技術可以實現染色體的多重融合并產生相應的小鼠。

該研究證實著絲粒斷裂導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健性是染色體演化的重要基礎,為構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路線，開啟了哺乳動物染色體遺傳改造的新領域。

“人與黑猩猩的共同祖先體內兩條染色體的‘頭對頭’融合是現代人演化的關鍵事件。所以該研究非常有意義，未來可以構建染色體改造小鼠模型用于探討疾病和演化。”李勁松說。（來源：中國科學報 張雙虎 黃辛）

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41422-022-00722-x