合成生物学的目标之一是利用设计的 DNA 序列产生复杂的多细胞生命。能够大规模操纵 DNA，包括在染色体水平上，是朝着这一目标迈出的重要一步。已经在酵母中成功地尝试了染色体工程，但在包括哺乳动物在内的高等真核生物中仍然具有挑战性。
2022年8月25日，中国科学院动物研究所、北京干细胞与再生医学研究院李伟研究员与周琪研究员团队合作在Science 在线发表题为“A sustainable mouse karyotype created by programmed chromosome fusion”的研究论文，该研究在小鼠中实现了全染色体连接，并成功衍生出具有 19 对染色体的动物，比该物种的标准染色体少一对。
具体来说，该研究使用单倍体胚胎干细胞和基因编辑，融合了两条最大的小鼠染色体，即染色体 1 和 2，以及两条中等大小的染色体，即染色体 4 和 5。染色质构象和干细胞分化受到的影响最小。然而，携带融合染色体 1 和 2 的核型导致有丝分裂停滞、多倍化和胚胎致死，而由染色体 4 和 5 组成的较小融合染色体能够传递给纯合子后代。总之，该结果表明哺乳动物染色体水平工程的可行性。
染色体重排在很长时间内很常见：啮齿动物每百万年有 3.2 到3.5 次染色体重排，而灵长类动物每百万年有 1.6 次染色体重排。目前已经在酵母中成功地尝试了染色体工程，但在包括哺乳动物在内的高等真核生物中仍然具有挑战性。实验室小鼠（经过100 多年的人工繁育，一直保持着标准的 40 条染色体核型（不过核型发生了变化）。在人类中（2n = 46，其中 n 是一组染色体），中着丝粒染色体 2是由罗伯逊 (Rb) 融合形成的两个在大猩猩中保持分离的近端着丝粒染色体 (2n = 48)。人类祖先 5 号和 17 号染色体之间的相互易位在大猩猩中产生了 4号和 19 号染色体。Rb 融合或相互易位也可导致非整倍体、单亲二体性或儿童白血病。使用胚胎干细胞 (ESCs) 和 Cre-loxP 系统，研究人员试图获得具有程序性染色体重排的小鼠模型，但只实现了亚染色体重排。基因组编辑的最新进展极大地促进了单倍体酵母的染色体工程。在哺乳动物中，酵母样单倍体胚胎干细胞（haploid ESCs, haESCs）首先来自未受精的小鼠胚胎，然后来自大鼠、猴子和人类胚胎。然而，基因组印记在haESCs中经常丢失，限制了它们的多能性和基因工程的潜力。该研究发现，通过删除三个印迹区域，可以在 haESCs 中建立稳定的类似精子的印迹模式，创建了携带染色体水平融合的实验室小鼠模型。一些工程小鼠表现出异常行为和出生后过度生长，而另一些则表现出繁殖力下降，这表明尽管遗传信息的变化有限，但动物染色体的融合可能会产生深远的表型影响。图1. 小鼠haESCs中的染色体可编程连接（图源自Science ）由于它们具有酵母样单倍体和持续传代多能性，因此本研究中使用这些细胞来测试哺乳动物染色体工程的可行性。为了将两条非同源小鼠染色体的整个臂连接成一个，研究者设计了一种结合Rb 融合和相互易位的策略。我们知道，生殖分离和新物种的形成可能是通过积累染色体重排来降低杂合杂种的生育能力。该研究表明Chr1+2 小鼠（携带两个重排）不产生后代，但 Chr4+5 小鼠（携带一个重排）产生后代，尽管繁殖力有限。通过分析 Chr4+5 小鼠的精母细胞，我们将生殖障碍确定为结扎染色体的分离错误，这可能导致繁殖力下降非整倍体精子的活动性受损或非整倍体胚胎的发育失败，出生率低。纯合子Chr4+5小鼠来源于交配的杂合父母，这表明一种融合不足以在小鼠中进行生殖隔离。图2. 生产携带连接染色体的小鼠（图源自Science ）总的来说，该研究使用印记固定的 haESCs 平台和基因编辑，希望解决是否可以连接哺乳动物细胞中的染色体。令人惊讶的是，该研究在广泛使用的动物模型小鼠中实现了种系可传递的染色体结扎。并研究了它如何影响干细胞分化和染色质组织，以及它会在多大程度上影响小鼠表型。这一工作强调了在哺乳动物中大规模改造内源性或外来 DNA 的潜在途径，对后续发展DNA改造技术与应用提供强大的支持。
染色体连接小鼠“小竹”
中国科学院动物研究所博士后王立宾、副研究员李治琨、博士后王乐韵、博士后许凯和博士生季甜甜为本文共同第一作者。中国科学院动物研究所李伟研究员、周琪研究员为本文共同通讯作者。参与本课题的还有中国科学院动物研究所的毛伊幻、马思楠、刘超、王丽颖、舒由嘉、杨宁以及安诺优达基因科技有限公司的刘涛、涂成芳、赵倩和范旭宁。该研究严格遵守我国法律法规和国家有关规定，并符合我国及国际通行伦理准则。https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm1964
