染色體重排是指染色體發生斷裂與其他染色體連接構成新的染色體。染色體重排是物種進化的重要驅動力。當前由於缺乏研究哺乳動物完整染色體重排的技術手段，在改造哺乳動物染色體技術上仍面臨較大的困難和挑戰，因此還需進行深入研究。
2022年8月26日，中國科學院動物研究所、北京幹細胞與再生醫學研究院李偉研究員與周琪研究員團隊合作在Science上發表了題為「A sustainable mouse karyotype created by programmed chromosome fusion」的文章。該研究實現了哺乳動物完整染色體的重排，將染色體結構人工遺傳改造從酵母，躍升到哺乳動物個體層面，為人類探索哺乳動物進化生物學研究提供了新的思路。其中，鸿运国际(中国)為該研究提供Hi-C測序技術及分析服務。
主要結果
小鼠胚胎幹細胞的染色體連接
利用小鼠單倍體幹細胞，基於CRISPR基因編輯技術將最長的染色體1號和2號進行正反2種形式連接（Chr1+2和Chr2+1），中等長度的4號和5號染色體進行首尾連接（Chr4+5），通過染色體熒光原位雜交、核型分析以及Hi-C等方法進一步確認了染色體的連接，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。這些結果表明兩條獨立存在的染色體可以通過基因編輯後非同源末端連接修復的方式連接為同一條染色體，從而實現了哺乳動物的完整染色體重排。
圖1 小鼠單倍體幹細胞染色體連接（A）染色體連接示意圖（B）染色體連接DNA-FISH鑑定結果
染色體重排連接長度對細胞表型的影響
研究人員通過Hi-C和PacBio測序發現Chr2+1首尾融合形成的超長染色體存在較強的有絲分裂異常，攜帶最長染色體連接的單倍體幹細胞二倍化速率顯著加快，已經成為二倍體的胚胎幹細胞及神經幹細胞中也會發生自發多倍化。為研究上述現象，研究人員以Chr17染色體作為受體，對超長的融合染色體分別進行截斷和恢復，結合染色體分離的實時觀察確認了染色體長度過長是導致細胞分裂異常的原因。綜上推論，哺乳動物細胞的染色體可能存在長度界限，對小鼠細胞而言，染色體長度上限範圍可能在308.3Mb – 377.6Mb之間。
染色體重排連接對小鼠表型產生的影響
染色體重排會對小鼠發育、行為和生殖產生多方位的影響。研究人員通過將融合改造的單倍體幹細胞（Chr2+1、Chr1+2和Chr4+5）注射入卵母細胞的方式成功得到染色體連接的兩類雜合半克隆小鼠。觀察它們在行為和生殖能力上的差異，其中攜帶Chr2+1超長染色體連接的小鼠胚胎在E12.5前出現發育停滯現象；而Chr1+2及Chr1斷裂後連接Chr17產生的小鼠則表現出了生長曲線和行為學的異常；攜帶Chr4+5中等長度染色體連接的小鼠沒有表現出明顯的異常，還可以繼續繁殖後代產生純合小鼠，證明了兩條染色體的連接不會導致絕對的生殖隔離，但攜帶連接染色體小鼠的生殖能力明顯下降。經過進一步研究發現，連接後的染色體雖然仍然能夠與兩條分離的同源染色體進行正常聯會，但是聯會後的同源染色體分離會出現異常。
此外，研究人員還綜合分析了染色體空間結構在胚胎幹細胞、神經幹細胞和腦內的變化趨勢，發現隨着分化的進行，染色體的空間結構變化隨着分化而減弱。
圖2 染色體的空間結構變化隨着分化而減弱
本研究基於PacBio測序、Hi-C等多組學技術，實現了基於實驗室生物學手段，構建哺乳動物染色體重排模型，為解釋染色體重排對進化的重要性、染色體形成機制，提供了技術手段。本技術有望在物種進化、生殖發育、遺傳病研究中發揮重大價值。
參考文獻
LI-BIN Wang, ZHI-KUN LI, et al. A sustainable mouse karyotype created by programmed chromosome fusion[J]. Science, 2022.
