染色體連接小鼠“小竹” 課題組供圖

8月26日，《科學(xué)》 雜志在線發(fā)表了中國科學(xué)院動(dòng)物研究所、北京干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究院李偉研究員與周琪研究員團(tuán)隊(duì)的重要研究成果：在全球范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物完整染色體的可編程連接，并創(chuàng)造出具有全新核型（染色體組型）的小鼠。

染色體重排（Chromosomal Rearrangement），是指染色體發(fā)生斷裂與別的染色體相連構(gòu)成新的染色體，這是生物演化過程中的重要驅(qū)動(dòng)力之一。而對(duì)個(gè)體生物來說，染色體重排則往往導(dǎo)致疾病的發(fā)生，如不孕不育，單親二倍化疾病和兒童白血病等等。

近年來，隨著基因組編輯技術(shù)的發(fā)展，染色體精準(zhǔn)重排率先在酵母上獲得成功。而對(duì)更為復(fù)雜的哺乳動(dòng)物基因組，此前的重排技術(shù)往往只限于亞染色體水平，完整染色體的重排遲遲沒有成功實(shí)現(xiàn)。

本次研究正是打破了這一技術(shù)瓶頸。研究人員利用小鼠單倍體胚胎干細(xì)胞和CRISPR基因編輯工具，成功將最長的染色體1號(hào)和2號(hào)進(jìn)行正反連接，以及將中等長度的5號(hào)和4號(hào)染色體進(jìn)行首尾連接，同時(shí)發(fā)現(xiàn)染色體連接過程中可能會(huì)發(fā)生染色體的斷裂和重新連接。這些結(jié)果表明，來自小鼠的兩條獨(dú)立存在的染色體在基因編輯后，可以以非同源末端連接修復(fù)的方式連接為一條染色體——這標(biāo)志著全球首次實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物的完整染色體重排，我國科學(xué)家取得了合成生物學(xué)上新的突破。

在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步研究了特定染色體重排連接產(chǎn)生的影響。研究發(fā)現(xiàn)，不同的染色體連接會(huì)對(duì)小鼠產(chǎn)生不同影響，例如最長的染色體連接（2號(hào)和1號(hào)染色體連接）會(huì)導(dǎo)致胚胎發(fā)育停滯，還有一些染色體重排方式則會(huì)導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)生長曲線和行為學(xué)方面的異常。

連接后的染色體還能夠傳遞到后代小鼠，且進(jìn)一步交配可以產(chǎn)生純合小鼠，但攜帶連接染色體的小鼠生殖力明顯下降。

最后，研究人員還綜合分析了染色體空間結(jié)構(gòu)在胚胎干細(xì)胞，神經(jīng)干細(xì)胞和腦內(nèi)的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)隨著分化的進(jìn)行，染色體的空間結(jié)構(gòu)變化隨著分化而減弱。

研究人員表示，他們開發(fā)的哺乳動(dòng)物染色體精準(zhǔn)重排技術(shù)為建立相關(guān)疾病的動(dòng)物模型，研究染色體重排導(dǎo)致的不孕不育和腫瘤等疾病的發(fā)病機(jī)制，探索疾病的治療手段提供了新的技術(shù)手段。

中國科學(xué)院動(dòng)物研究所博士后王立賓，副研究員李治琨，博士后王樂韻，博士后許凱和博士生季甜甜為本文的共同第一作者。中國科學(xué)院動(dòng)物研究所李偉研究員，周琪研究員為本文共同通訊作者。參與本課題的還有中國科學(xué)院動(dòng)物研究所的毛伊幻、馬思楠、劉超、王麗穎、舒由嘉、楊寧以及安諾優(yōu)達(dá)基因科技有限公司的劉濤、涂成芳、趙倩和范旭寧。該研究嚴(yán)格遵守我國法律法規(guī)和國家有關(guān)規(guī)定，并符合我國及國際通行倫理準(zhǔn)則。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abm1964