染色体重排是指染色体发生断裂与其他染色体连接构成新的染色体。染色体重排是物种进化的重要驱动力。当前由于缺乏研究哺乳动物完整染色体重排的技术手段，在改造哺乳动物染色体技术上仍面临极大的困难和挑战，因此还需进行深入研究。
2022年8月26日，中国科学院动物研究所、北京干细胞与再生医学研究院李伟研究员与周琪研究员团队合作在国际学术期刊Science上发表了最新研究成果“A sustainable mouse karyotype created by programmed chromosome fusion”。该研究首次实现了哺乳动物完整染色体的重排，创造出自然界不存在的，具有全新核型的小鼠，将染色体结构人工遗传改造从酵母，跃升到哺乳动物个体层面，为人类探索哺乳动物进化生物学研究提供了新的思路。其中，安诺优达有幸为该研究提供Hi-C测序技术及分析服务。
主要结果：
01 小鼠胚胎干细胞的染色体连接
利用小鼠单倍体干细胞，基于CRISPR基因编辑技术将最长的染色体1号和2号进行正反2种形式连接（Chr1+2和Chr2+1），中等长度的4号和5号染色体进行首尾连接（Chr4+5），通过染色体荧光原位杂交、核型分析以及Hi-C等方法进一步确认了染色体的连接，同时发现染色体连接过程中可能会发生染色体的断裂和重新连接。这些结果表明两条独立存在的染色体可以通过基因编辑后非同源末端连接修复的方式连接为同一条染色体，从而首次实现了哺乳动物的完整染色体重排。
图1 小鼠单倍体干细胞染色体连接（A）染色体连接示意图（B）染色体连接DNA-FISH鉴定结果
02 染色体重排连接长度对细胞表型的影响
研究人员通过Hi-C和PacBio测序发现Chr2+1首尾融合形成的超长染色体存在较强的有丝分裂异常，携带最长染色体连接的单倍体干细胞二倍化速率显著加快，已经成为二倍体的胚胎干细胞及神经干细胞中也会发生自发多倍化。为研究上述现象，研究人员以Chr17染色体作为受体，对超长的融合染色体分别进行截断和恢复，结合染色体分离的实时观察确认了染色体长度过长是导致细胞分裂异常的原因。综上推论，哺乳动物细胞的染色体可能存在长度界限，对小鼠细胞而言，染色体长度上限范围可能在308.3Mb – 377.6Mb之间。
03 染色体重排连接对小鼠表型产生的影响
图片 染色体重排会对小鼠发育、行为和生殖产生多方位的影响。研究人员通过将融合改造的单倍体干细胞（Chr2+1、Chr1+2和Chr4+5）注射入卵母细胞的方式成功得到染色体连接的两类杂合半克隆小鼠。观察它们在行为和生殖能力上的差异，其中携带Chr2+1超长染色体连接的小鼠胚胎在E12.5前出现发育停滞现象；而Chr1+2及Chr1断裂后连接Chr17产生的小鼠则表现出了生长曲线和行为学的异常；携带Chr4+5中等长度染色体连接的小鼠没有表现出明显的异常，还可以继续繁殖后代产生纯合小鼠，证明了两条染色体的连接不会导致绝对的生殖隔离，但携带连接染色体小鼠的生殖能力明显下降。经过进一步研究发现，连接后的染色体虽然仍然能够与两条分离的同源染色体进行正常联会，但是联会后的同源染色体分离会出现异常。
此外，研究人员还综合分析了染色体空间结构在胚胎干细胞、神经干细胞和脑内的变化趋势，发现随着分化的进行，染色体的空间结构变化随着分化而减弱。
图2 染色体的空间结构变化随着分化而减弱
本研究基于PacBio测序、Hi-C等多组学技术，首次实现了基于实验室生物学手段，构建哺乳动物染色体重排模型，为解释染色体重排对进化的重要性、染色体形成机制，提供了技术手段。本技术有望在物种进化、生殖发育、遗传病研究中发挥重大价值。
排版|乔维钧
参考资料：
[1]LI-BIN Wang, ZHI-KUN LI, et al. A sustainable mouse karyotype created by programmed chromosome fusion[J]. Science, 2022.
