李劲松院士团队打开哺乳动物染色体遗传改造新窗口

现代人演化的关键源于人与黑猩猩的共同祖先体内两条染色体的头对头融合。但这一事件发生的具体机制是什么？染色体头对头的融合是如何发生的？染色体融合对生物体有何影响和意义？

李劲松团队研究证实着丝粒的断裂导致的染色体融合是染色体演化的原因，真核生物基因组组装的系统稳健性（Robustness）是染色体演化的重要基础。该研究也为哺乳动物进行染色体结构的改造、动物新核型亚种的创造以及染色体结构变异疾病的模拟提供了可行的技术路线，开启了以小鼠为代表的哺乳动物染色体遗传改造的新领域。

9月21日，国际学术期刊Cell research在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）李劲松研究员团队题为“Creation of artificial karyotypes in mice reveals robustness of genome organization”的文章，报道了基于类精子干细胞介导半克隆技术，通过CRISPR/Cas9靶向染色体重复序列，实现小鼠染色体融合改造，建立全新的稳定传递的染色体改造纯和小鼠品系，揭示了染色体融合的机制，并提示真核生物基因组组装的系统稳健性（Robustness）是染色体演化的重要基础。

图：类精子干细胞中小鼠二号染色体和X染色体以头对头形式融合形成双臂染色体（红色：端粒；白色：着丝粒：绿色：近着丝粒）

此项研究开发了基于类精子干细胞技术的小鼠染色体改造的研究系统，利用此技术可以建立染色体融合小鼠品系，成功模拟了自然界中经由漫长演化时间的积累才会发生的染色体重排事件，为实现哺乳动物的染色体重排改造迈出关键一步。

开启哺乳动物染色体

遗传改造的新领域

受2018年中科院上海植生所创造的

新的单一环形酵母染色体启发，

李劲松团队开启了

哺乳动物染色体遗传改造研究。

“酵母是单倍体细胞，

那我们是否也能在

同样拥有单倍体细胞的哺乳动物里，

开展类似的工作？

在细胞上进行染色体改造，

通过显微受精产生动物。”

但是面对更为复杂的哺乳动物，

在个体水平改造染色体

在技术上面临很大的困难和挑战。

李劲松团队申请了

科技部关于干细胞的重点研发计划，

“用类精子干细胞介导半克隆技术，

实现小鼠个体层面的染色体改造。

在这个项目的框架下，

我们开展了几个方向的研究。

此次Cell Research发表的文章，

就是其中的一个方向。”

染色体融合小鼠纯合品系可以稳定配繁向后代传递融合染色体

以“类精子干细胞”技术为基础，李劲松团队在小鼠中成功模拟了自然界中在漫长演化过程中发生的染色体重排事件。从1128个转染着丝粒切割组件的单克隆细胞系中，建立了10株具有稳定的19条染色体的单倍体细胞系，其中有9株细胞系保持有基因组倍性平衡。为今后研究染色体改变对生命体的影响提供了一个新的方法。也证明了：

1

之前关于自然界染色体融合形成新的基因组的猜测是对的。着丝粒断裂导致的染色体融合是染色体演化的重要原因。

2

染色体“头对头”的融合方式对细胞表达谱扰动极小。也就是说，染色体作为基因组的“零部件”，少数变化不会干扰到基因组在生物体内的正常“工作”。

3

以“类精子干细胞”技术为基础，构建染色体改造小鼠模型用于探讨疾病和演化提供了可行的技术路线，开启了哺乳动物染色体遗传改造的新领域。

李劲松表示：

“我们这个工作就像是

open a window。

以前这个窗是关着的，

现在这个窗打开了，

给我们提供了一个研究染色体

在演化、在疾病中作用的机会。”

为什么选择类精子干细胞

作为研究手段？

染色体的稳定与变化

是个体生存和物种演化的基础，

是遗传物质宏观调控规律的一体两面，

染色体数目和结构的变异

常常对个体造成不利影响，

新物种的形成

往往又伴随复杂的染色体结构演化。

染色体融合影响与研究

（A）两条独立染色体“头对头”融合形成人类二号染色体的事件是人类物种进化中的重要事件。（B）染色体罗氏易位提升新生儿急性淋巴性白血病患病率，导致男性生育力下降和精子异常，诱发孕妇（携带者）自发流产和导致后代产生染色体三体相关综合症。（C）利用基因编辑技术实现酵母染色体融合，创造单条染色体酵母。

现代人演化的关键正是源于

人与黑猩猩的共同祖先体内

两条染色体的头对头融合。

像唐氏综合症这类疾病

一般是由染色体异常造成的，

染色体环化同样也会导致人类遗传疾病。

一般来讲，卵子和精子都无法在体外培养和增殖，也无法在基因层面进行操作。染色体所有的变化都无法在模式动物特别是小鼠中模拟。李劲松表示，“我们实验室研究建立了类精子干细胞技术，从只携带精子遗传物质的胚胎中建立出一种干细胞，可以在上面进行遗传改造甚至是进行染色体改造。”

在研究中，科研人员可以在类精子干细胞上随意地进行基因编辑，并将它们与卵母细胞结合生产转基因小鼠。对于生命科学研究来说，这无疑是一条更为准确和高效地获取转基因研究动物的途径。

即使只有百分之一的成功率……

研究过程中遇到了哪些挑战和瓶颈？您的解决方案是什么？

我们最初的想法是将CRISPR-Cas9系统直接注射受精卵中，进行靶向切割着丝粒核心重复序列。

实验之后，我们发现这根本行不通，因为它会造成非常严重的DNA的损伤，导致胚胎无法发育。同样，我们无法保证此项研究在类精子干细胞中能够实验成功。

在前期，我们做了很多探索。然而最初发现效率十分低下。据统计，成功率大概只有百分之一左右。但即便只有一个成功，我们就很开心了，因为这个细胞最后可能变成细胞系，将来就有很足够的细胞来产生小鼠。

另一方面，所有染色体的分析，对我们实验室而言也是一项全新的研究。我们需要建立各种各样的染色体分析方法，做大量细胞核型分析，这对于我们来说也是一个新的挑战。

目前，我们还在不断地优化条件，使染色体分析方法更加高效。

目前您在生命科学领域最关注的焦点是什么？

我最关注的还是我们建立的类精子干细胞介导半克隆技术体系的完善和应用。

我非常关注拓展基于类精子干细胞的其他应用场景。比如我们正在做的基因组标签计划，这也是我们非常想要做成功的一件事情。这件事情一旦做成功了，不光对中国的生命科学研究产生一定的影响，也一定会对全世界做生命科学研究的科学家提供一个很好的研究平台和研究资源。

此次Cell Research发表的染色体层面的改造是我们新拓展的一个点，后面，我们也会围绕染色体改造持续深入研究。