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內地重排哺乳動物染色體 全球首例 濃縮小鼠百萬年進化 助解構繁殖機制

By on August 27, 2022

原文刊於信報財經新聞

中國科學家經過4年的研究,「濃縮」小鼠百萬年進化時間,全球首次實現了哺乳動物完整染色體重排,並創造出具有全新染色體組型的實驗小鼠,可編程連接後的染色體還能夠傳遞到後代小鼠。該實驗是合成生物學領域的新突破,研究結果26日於國際學術期刊《科學》在線發表。是次研究料對人類探索治療癌症等疾病帶來重大幫助。

研究4載 合成生物學新突破

染色體是遺傳物質DNA的主要載體,染色體重排即染色體發生斷裂並與其他染色體相連,構成新的染色體。生物演化過程中發生的染色體重排,是物種進化的重要驅動力。

近年隨着基因編輯技術的發展,染色體精準重排率先在基因組組成簡單且為單倍體的酵母上獲得成功。

內地科學家成功創造出具有全新染色體組型的實驗小鼠。(網上圖片)

該項哺乳動物染色體重排研究,由中科院動物所、北京幹細胞與再生醫學研究院李偉研究員及周琪研究員團隊合作,歷時4年完成。「哺乳動物基因組比酵母基因組複雜得多。」李偉說,「這項研究是生物工程技術的一次突破,有助於認識哺乳動物染色體大規模重構的影響,深入理解生長發育、繁殖演化乃至物種形成等背後的分子機制。」

研究人員利用小鼠單倍體胚胎幹細胞和CRISPR基因編輯工具(基因剪刀),成功把最長的染色體1號和2號進行正反連接,以及將中等長度的5號和4號染色體進行首尾連接,同時發現染色體連接過程中可能會發生染色體的斷裂和重新連接。結果表明,來自小鼠的兩條獨立存在的染色體,在基因編輯後,能以非同源末端連接修復的方式連接為一條染色體。

在此基礎上,研究人員進一步研究特定染色體重排可能產生的影響。研究證實,哺乳動物細胞的染色體長度存在一定限制,為哺乳動物合成生物學進行染色體設計合成提供重要參考。

研究人員發現,不同的染色體連接,對小鼠會產生不同的影響。(網上圖片)

為解答特定染色體重排在動物表型層面上的影響,研究人員還通過單倍體幹細胞注射到卵母細胞的方式,成功得到染色體連接的小鼠。

研究人員發現,不同的染色體連接,對小鼠會產生不同的影響,其中最長的染色體1號和2號染色體連接,使得胚胎發育不能正常進行;1號和2號染色體連接後,1號染色體斷裂重新連接17號染色體,產生的小鼠則表現出生長曲線和行為學的異常;4號和5號染色體連接的小鼠則沒有表現出明顯的異常。

進一步交配產生純合品種

更重要的是,連接後的染色體還能夠傳遞到後代小鼠,且進一步交配可以產生純合小鼠。儘管攜帶連接染色體的小鼠生殖力明顯下降,但這證明了兩條染色體的連接不會導致絕對的生殖隔離。

該實驗是合成生物學領域的新突破,料對人類探索治療癌症等疾病帶來重大幫助。(Freepik網上圖片)

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