BioArt按
最近几年，技术方法的巨大进步带动了染色质三维结构研究的逐步兴起。其中的核心生物学问题之一是，染色质高级结构相互作用的变化会对生物产生多大的影响。一个大胆的想法是，以简单的真核模式生物酿酒酵母为例，如果大幅度改变其染色体的空间结构（比如将16条染色体融合成单条染色体），酵母是否还能正常生长？刚刚在线“背靠背”发表的两篇Nature论文给出了部分答案。其中一篇长文（Article）出自中科院上海植生所与生化细胞所的合作研究团队，另一篇则出自纽约大学的研究团队。为了让读者深入、准确地了解融合酵母染色体相关研究的重要意义，BioArt特别邀请到长期从事酵母基因组设计合成的天津大学化工学院元英进教授和吴毅副教授，以及中科院深圳先进技术研究院戴俊彪研究员对相关工作进行解读和点评。
责编丨迦 溆
解读丨吴毅、元英进（天津大学）
点评丨戴俊彪 中科院深圳先进技术研究院
自然界真核生物的染色体条数各异，既有只包含1条染色体的雄蚁Myrmecia pilosula，也有含223条染色体的蝴蝶Polyommatus atlantica【1,2】。即使是基因组大小相近的、同属于酵母的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae ~12Mb）和粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe ~14Mb)，前者单倍体拥有16条染色体，后者却只有3条染色体。染色体的数目对真核生物是否有明确的生物学意义？染色体的数目变化在物种进化的历程中是偶然的还是必然的？
北京时间8月2日，来自中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所的覃重军课题组、赵国屏院士课题组以及中科院生化细胞所周金秋课题组组成的合作团队与纽约大学系统遗传学研究所（ISG）的Jef Boeke团队在Nature背靠背发表了关于酵母染色体融合重塑基因组结构的研究论文，两支团队从包含16条染色体（大小区间为230kb-1532kb）的酿酒酵母出发，采用层级融合染色体策略，分别获得仅有1条和2条染色体的酵母细胞。令人意外的是，这些重塑基因组结构的酵母细胞展现出与野生型细胞相似的转录组水平和表型。该工作对于重新认知基因组结构的鲁棒性以及染色体结构和功能对真核生物进化的影响有极其重要的价值。
在文章发表之前，我们对两支团队的工作已经有所了解，这两支团队虽然都在酿酒酵母中做简化染色体数目的研究，但从一开始就是各自独立开展工作的。前人发表的关于酵母染色体融合的工作包括：两条最长染色体IV和XII的融合（长3.2Mb），VII、V、XV和IV四条染色体的融合（长4.3Mb），二者均未出现显著的生长缺陷【3,4】。那么是否可以进一步简化染色体数量，直至1条？
酵母染色体融合的策略。图片来源于：https:///10.1038/d41586-018-05309-4
这两篇论文采用了相似的染色体融合技术：保持基因含量基本不变，通过CRISPR-Cas9高效敲除待融合染色体多余的着丝粒和端粒，并且通过酿酒酵母的同源重组机制来实现染色体的逐轮融合。最终，覃重军等首次得到只包含1条染色体的酵母细胞，而Jef实验室在尝试不同策略后只得到含有2条染色体的酵母细胞。这背后的原因和机制作者暂时没有阐述清楚，推测原因可能涉及：两篇论文有不同的染色体融合路径，最终染色体的排列顺序以及着丝粒位置并不一样，这可能会影响最终单条染色体的成功融合；覃重军等删除了亚端粒区的19个重复区间，而Jef实验室并未改变这些序列，此外，在逐级融合过程中基因组会产生一些DNA变异（SNP、Indel等），两套基因组在遗传背景上的差别也可能干扰最终的融合。
值得一提的是，覃重军等在论文中利用Hi-C技术表征了含有1条、2条、9条和16条染色体的酵母基因组3D结构。与野生型菌株相比，在只有1条染色体的酵母细胞中，几乎所有（99.7%）的染色体间显著相互作用都消失了，并且引入了一些新的染色体间相互作用，与此同时，67.4%的染色体内相互作用也消失了。非常有趣的是，论文还表征了更加细微的基因尺度的染色质相互作用，结果显示，包含不同染色体数目的酵母有很相似的局部染色质结构。基于这些数据，作者推测，在酵母中染色体间相互作用对总体基因转录影响很小，真正影响的可能是局部的染色质结构。
Jef等的论文中针对染色体数目与产生生殖隔离关系开展了创新研究。通过系统地将不同染色体数目的酵母与含有16条染色体的野生型酵母回交，作者发现，在含有8条或更少数目染色体的酵母回交实验中，仅有不到1%的生孢率，并且没有存活的孢子产生，而减少数目染色体同型交配可以有正常的生孢率和孢子活力。作者认为8条染色体的酵母就足以与野生型酵母产生生殖隔离。具体数字为何是“8”？这是一个将来可以深入研究的有趣问题。
不过酵母染色体的数目真的可以任意改变了吗？事实上，覃重军等在论文中也展示了仅含单条染色体的酵母与野生型酵母在竞争生长条件下有明显生长劣势，虽然二者单独培养并没有显著生长差异。此外，单条染色体酵母同型交配产生的二倍体酵母在有丝分裂中有1/3会出现染色体数目异常。这些现象特别有意义，都是将来可以深入探讨的。
合成生物学的魅力正是通过重塑去重新认知。这两项融合酵母染色体的工作是对真核生物基因组结构改造的创新探索，为进化和演化的研究提供了全新的认知。祝贺两支团队！
文章第一作者为中科院植生所邵洋洋博士，覃重军研究员、薛小莉副研究员、赵国屏院士、周金秋研究员为本文共同通讯作者。菲沙基因在此研究中承担了三维基因组的实验及分析工作，另外还包括酵母基因组的三代测序和完成图的 de novo 组装工作。
专家点评
戴俊彪（中国科学院深圳先进技术研究院PI，国家“杰青”）
在自然界漫长的进化过程中，不同生物逐渐形成了自身特有的基因组，包括相对较为稳定的DNA序列和固定的染色体数目。几乎所有的真核生物都包含数目不等的多条染色体。然而一些基本的生物学问题，比如：染色体数目是否与该生物的功能具有相关性？以及染色体的数目是否具有可变性？虽然一直受到科学家的关注，但限于技术的障碍，从未能够进行实验验证。
酿酒酵母是一种模式单细胞真核生物，每个单倍体细胞内包含有16条线性染色体。成熟的遗传工具和强大的同源重组能力使得酿酒酵母成为第一个正在被人工设计并合成的真核生物（Sc2.0）。随着近几年来CRISPR技术的飞速发展，人们极大地提高了基因组编辑的能力，这也为回答染色体数目是否具有可变性这个问题提供了方案。在本期Nature上，同时发表了来自纽约大学医学院的Jef Boeke教授和中国科学院植物生理研究所覃重军研究员课题组的两篇文章，分别将酿酒酵母中的16条染色体融合获得只具有两条或者一条染色体的细胞。
一条完整的真核线性染色体包含一个用于染色体分离的着丝粒和两个用于保护染色体末端的端粒。为了实现两条染色体的融合，不仅仅需要将两条染色体的两个端粒去除后相互连接起来，同时还需要将两条染色体中一条的着丝粒去除，从而保证染色体在细胞分裂过程中正常的分离。两个课题组都利用CRISPR技术，通过设计特定的剪切位点，以及提供同源DNA序列而克服了这一技术难题。在其中一个研究中，Luo等人首先将所有的小染色体融合到了一起，获得带有12条染色体的酵母。随后通过进一步的融合，获得带有8条染色体的酵母。依次类推，最终获得了带有两条染色体的酵母。在整个染色体融合过程中，他们始终保证所获得的染色体在长度上是接近的。然而在最后一步将两条染色体融合成一条的过程中，尽管经过了很多次的尝试，他们始终无法获得存活的，仅有一条染色体的细胞。在另一个研究中，Shao等人将不同的染色体通过一次融合两条的方式，进行了15轮操作，最终幸运的获得了仅带有一条染色体的酵母菌株。无法将两条染色体融合成一条的原因依然未知，也许通过比较带有两条和一条染色体酵母的差异，可以帮助解决这个问题。
通过对所得带有两条或者一条染色体的菌株进行分析，两个课题组都发现染色体数目减少后的细胞在形态上和野生型类似，在生长上仅出现较小的差异。染色体数目的减少仅导致少量的基因表达发生差异。相比之下，只有一条染色体的菌株对生长有较大的影响。在和野生型细胞的竞争性生长过程中，仅有一条染色体的细胞会被很快的淘汰，而带有两条染色体的细胞只显示出较小的生长弱势。此外，染色体数目减少对同源二倍体细胞减数分裂的产孢并没有产生显著的影响，但染色体数目减少的细胞与带有16条染色体的野生型细胞结合后所得的二倍体，产孢会收到显著的影响。
野生型酵母染色体在细胞核中可以形成较为稳定的三维结构，其特征是所有的着丝粒会聚集在一起，位于细胞核的一端。而所有染色体短臂的端粒和长臂的端粒都会聚集在一起，位于细胞核的核膜附近。当细胞中所有的染色体被融合在一起后，Shao等人的研究发现，染色体之间的相互作用发生了急剧的改变，然而染色体内的相互作用仍被部分保留了。
这是人类首次通过实验手段系统地、大规模地改造一个物种的染色体数目。这两篇论文的研究结果表明，自然进化而成的现有真核生物（至少酿酒酵母）染色体数目与功能之间并不存在直接的决定关系，染色体的数目可以人为改变，且不会显著影响细胞生长。带有一条或者两条染色体的酵母，可以作为一个新的研究平台，增进我们对染色体重组、复制和分离机制的解析，具有重要的意义。此外，这两个研究的结果也说明酿酒酵母对染色体的长度没有限制（至少可以长达12Mbp），这为利用酵母构建高等生物的新染色体提供了理论依据，有利于后续GP-write项目的开展。
参考文献
1. Crosland M.W.J, et al. Myrmecia pilosula,an Ant with Only One Pair of Chromosomes. Science. 1986
2. Lukhtanov VA (2015) The blue butterfly Polyommatus (Plebicula) atlanticus (Lepidoptera, Lycaenidae) holds the record of the highest number of chromosomes in the non-polyploid eukaryotic organisms. Comparative Cytogenetics 9(4): 683–690. doi: 10.3897/CompCytogen.v9i4.5760
3. Neurohr, G. et al. A midzone-based ruler adjusts chromosome compaction to anaphase spindle length. Science 332, 465–468 (2011).
4. Titos, I., Ivanova, T. & Mendoza, M. Chromosome length and perinuclear attachment constrain resolution of DNA intertwines. J. Cell Biol. 206, 719–733 (2014)
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