中國科學家創造出僅有1條染色體的酵母菌株

據本週《自然》線上發表的兩篇論文

Karyotype engineering by chromosome fusion leads to reproductive isolation in yeast

和

Creating a functional single-chromosome yeast

報道，研究人員已經創造出僅有1條或2條染色體而非傳統的16條染色體的新型酵母菌株。

真核生物的基因組分散在多條染色體，染色體數量因物種而異。例如，人類擁有23對染色體，但我們的猿類表親擁有24對，而雄性傑克跳蟻只有1對染色體。這些差異可能源於偶然的融合或基因組加倍事件，但目前還不清楚多條染色體具有什麼優勢，物種對於染色體總數的變化有多大的忍耐度。

兩篇論文的作者使用CRISPR-Cas9技術編輯釀酒酵母（

Saccharomyces cerevisiae

）的基因組，建立了一系列染色體逐漸減少的酵母菌株。覃重軍等人創造了將所有遺傳資訊融合進單條染色體的酵母菌株，而Jef Boeke等人獨立建立了含有2條染色體的菌株。

儘管融合顯著改變了三維染色體結構，但是除了刪除了少數非必需基因外，新菌株所含的遺傳物質與正常釀酒酵母相同。經證實，人工改造的酵母細胞出乎意料地穩健，在不同的培養條件下，沒有表現出重大的生長缺陷。然而，融合染色體菌株確實表現出小的適應性限制和有性生殖缺陷，因此它們可能會快速地被天然的菌株淘汰。這些發現或有助於解釋擁有較多染色體的優勢。

Nature|doi:10.1038/s41586-018-0374-x

Nature|doi:10.1038/s41586-018-0382-x

下文是法國蔚藍海岸大學聯盟、法國國家科學研究院（CNRS）、法國國家健康與醫學研究院（INSERM）、法國尼斯癌症和衰老研究所（IRCAN）的Gianni Liti為上述兩篇論文寫的新聞與觀點文章。

酵母染色體融合

研究者利用基因組編輯方法將酵母中的16條染色體融合，得到僅有單條或兩條染色體的酵母菌株。沒想到的是，這種融合幾乎不會影響菌株的生存。

真核生物的基因組以線性染色體的形式存在。在不同物種中，染色體數目從單條到數百條不等。但這樣的差異是如何產生的？特定的染色體數目是否對某一物種有益？在《自然》發表的兩篇論文中，覃重軍團隊1和Jef Boeke2團隊分別透過染色體系統融合對釀酒酵母（

Saccharomyces cerevisiae

）基因組進行了操作。

釀酒酵母基因組通常含有16條不同的染色體（n=16），長度從230kb到1532kb不等3。為了正確發揮其功能，酵母染色體兩端存在稱為端粒的保護結構，並且僅有一個著絲粒，著絲粒能確保染色體各部分在細胞分裂過程中精確地分配到母細胞和子細胞。因此，簡單地透過端-端融合減少染色體數目的操作並不可行，因為這樣一來染色體就會有兩個著絲粒。

為了解決這一問題，兩個團隊分別利用基因組編輯工具將每條染色體一端端粒附近的序列融合，同時去掉其中一個著絲粒（圖1）。利用這種方法，他們逐步減少了染色體數目，產生染色體數目遞減的菌株。融合菌株與正常酵母菌株含有幾乎相同的遺傳物質，差別僅在於染色體數目不同，以及融合菌株中刪除了少量非必需基因。

圖1 |逐條融合染色體。兩個研究團隊將釀酒酵母的全部16條染色體融合，最終分別得到只有單條和兩條染色體的菌株。在釀酒酵母中，每條染色體兩端都有保護性結構端粒，以及一個著絲粒來確保細胞分裂時染色體可以正常分離。為了產生具有同樣結構的融合染色體，研究團隊使用基因編輯技術剪掉染色體一端端粒附近的序列，同時去除兩個著絲粒中的一個（僅一個剪下位點就可以將整個著絲粒去除），再把剪開的部分融合。研究人員不斷重複這一過程讓染色體數目呈階梯式遞減，並融合出染色體數目逐步減少的酵母細胞。

Boeke團隊最終得到的含有兩條染色體的菌株中，每條染色體長度為6000kb，但未能在活細胞中將兩條染色體融合成單條；而覃重軍團隊在存活酵母中將酵母全基因組成功融合成單條染色體。

兩個團隊使用的方法類似，為何只有一個團隊成功融合了最後兩條染色體？這是個值得思考的有趣現象。一種可能的解釋是，兩個團隊融合酵母染色體的順序和方向不同。如果是這個原因，那說明只有特定的基因組結構才能最終實現。今後透過各種融合途徑減少染色體數目的研究也會進一步揭示染色體結構對細胞存活的影響。另外一種解釋是，實驗中偶然引入了突變，從而影響了細胞對新基因組的耐受性。

兩個團隊隨後還研究了染色體融合的生物學意義。總體上看，細胞生長、細胞大小和細胞形狀等生物特徵似乎在整個融合過程中受到了緩衝。值得注意的是，無論是在單條還是兩條染色體的菌株中，只有少數基因表達發生了顯著改變。大部分可觀察到的基因表達的增加可能是因為端粒附近的基因較少，抑制了轉錄4。

這種轉錄穩定性與對酵母進行其他染色體修飾（如特定區域染色體倒位5）時常見的轉錄變異形成了鮮明對比。覃重軍團隊發現的這種穩定性說明，染色體內相互作用並未發生顯著改變，這種作用能調控基因表達；然而，由於著絲粒丟失，染色體間相互作用發生了劇烈變化，並影響了酵母基因組的三維結構6。

建立單個染色體的酵母菌株。Shao et al。

兩個團隊所合成的酵母菌株都是單倍體，只含有一套染色體複製。單倍體酵母可以無性繁殖，也可以透過有性繁殖形成含有兩組染色體複製的二倍體。二倍體酵母透過減數分裂產生單倍體孢子，單倍體孢子再成為單倍體細胞。兩個團隊的研究表明，含有單條染色體和兩條染色體的菌株都可以進行有性繁殖，但效率比野生型酵母低，產生的孢子存活能力也稍差。

減數分裂時，配對染色體之間遺傳物質的交換過程稱為重組。由於融合菌株的所有細胞基因組都是相同的，缺少研究人員用來確定不同世代重組的遺傳變異。因此，兩個研究小組無法確定染色體數目減少對重組的影響。每個融合菌株都能產生高活力孢子，表明發生重組的可能性，保證染色體的正確分離。

不過，染色體數目大量減少也從根本上消除了染色體錯誤分離的風險。

Boeke團隊將染色體數目各異的菌株進行雜交，觀察得到的混合菌株中的芽孢存活率和產量，並確定融合菌株在什麼情況下無法再產生有活力的孢子（該現象也叫作生殖隔離）。

正如研究人員的預測7，不斷擴大的染色體數目差異會增加對孢子活性的影響力，直到研究人員把16條染色體和8條染色體的單倍體菌株雜交後，雜交菌株再也無法產生有活性的孢子。此外，染色體數目差異擴大也會抑制孢子產量。

染色體的融合路徑和策略。Luo et al。

這一結果出乎研究人員的意料，特別是考慮到二倍體雜交體是不育的，這是由於兩套染色體之間序列的高變異程度以及不同的基因組排列方式，儘管能夠進行減數分裂，卻無法產生有存活能力的孢子7。

Boeke團隊所觀察到的生殖隔離現象背後的機制還有待確定。將來使用能在單核苷酸水平進行編輯的合成基因組進行研究，就能在區域性和整個基因組範圍內引入突變，從而系統深入地分析阻礙物種繁殖的因素以及導致生殖隔離的基因組變化。

兩組研究都認為，當細胞在不同的條件和壓力下生長時，染色體數目減少不會導致嚴重的生長缺陷。研究人員在單條染色體的菌株中發現了最為明顯的微小生長缺陷——與其很難獲得的特殊染色體結構一致。雖然這些差異在實驗室環境中不算顯著，但在自然環境中可能會更加不利於單條染色體菌株。

覃重軍團隊發現，將僅有單條染色體的菌株與正常酵母菌株共同培養，前者明顯處於競爭劣勢。這一結果印證了一個觀點，即酵母染色體在漫長演化中由於端粒融合和著絲粒缺失導致染色體數目不斷下降，但其結構幾百萬年來一直保持高度穩定8，9。

酵母的世代時間較短，意味著將來可以在實驗室對染色體數目不斷減少的菌株演化進行長達數月或數年的追蹤研究。這類實驗有助於全面瞭解對染色體數目減少的菌株生存有益的適應性變化，並精確測量這些酵母的基因組穩定性。

除了本研究的發現之外，這些合成酵母菌株也是研究複製、重組和分離等染色體生物學基本概念的重要資源。染色體基因工程方法可能也適用於基因組更復雜的生物體，但這些生物體的端粒和著絲粒附近的高度複雜DNA序列會增加研究的難度。

參考文獻：

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10。 Gordon， J。 L。， Byrne， K。 P。

ⓝ

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論文：

Karyotype engineering by chromosome fusion leads to reproductive isolation in yeast

https：//www。

nature。com/articles/s41

586-018-0374-x

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論文：

Creating a functional single-chromosome yeast

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nature。com/articles/s41

586-018-0382-x

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