只剩一條染色體，它仍然活著！中國科學家探索生命極限

單染色體釀酒酵母3D圖

真核生物的基因組擁有著一定數量的染色體，融合染色體的生命體是否能存活，還屬於未知。目前世界上染色體融合技術還不成熟，融合染色體至一條更是未有先例。日前，中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所研究員覃重軍，創造了世界首例只有一條染色體的酵母生命體，該研究結果8月1日發表在了世界頂級期刊《自然》雜誌上。

日前，中國科學家成功地將釀酒酵母的16條染色體融合為1條染色體，人工創造了一種新型的酵母菌株，這是國際首例人造單染色體真核細胞。令人意外的是，儘管融合顯著改變了三維染色體結構，但是含有融合染色體的酵母細胞並沒有出現重大的生長缺陷。除了刪除了少數非必需基因外，新菌株所含的遺傳物質與正常釀造酵母相同。研究人員在8月1日的 《自然》期刊中報告了這項成果。

真核生物的染色體數量差距很大，人類有46條染色體，猿類擁有48條染色體，雄性傑克跳蟻只有1條染色體，還有的生物染色體數量達到幾百條，那麼染色體數量本身對生物來說意味著什麼？數量的變化對生物會有怎樣的影響？多條染色體具有什麼優勢？物種對染色體數量的改變有多大的容忍度？這是一直以來沒有人能回答的問題。

「這項研究可以讓研究人員探索染色體數量減少後，可能會出現的結果。」在同期刊發的評論文章中，法國國家科學研究院、法國國家健康與醫學研究院Gianni Liti寫道。「令人驚訝的是，將16條染色體合併為1條之後，它們依然能夠存活。」

「在我看來，染色體數量在真核生物中是隨機的。」中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所研究員覃重軍說，他也是本次研究論文的通訊作者。「所以，我想，如果我們能夠創造一條染色體，那麼我們就可以回答很多問題了。比如，有機體對染色體數量的改變有多大的容忍度？」

染色體16合1

研究人員在實驗中用的釀酒酵母一共有16條染色體，每條染色體的兩端都會有一個叫做端粒的保護性結構，同時染色體還有一個著絲粒的結構，著絲粒對細胞分裂時染色體分離具有重要作用，它能確保染色體各部分在細胞分裂過程中精確地分配到母細胞和子細胞。

「簡單地通過端-端融合減少染色體數目的錯做並不可行，因為這樣一來染色體就會有兩個著絲粒。」Gianni Liti在文章中寫道。

染色體融合方法示例

為了解決這個問題，將兩條染色體融合成一條，研究團隊通過基因編輯的技術將染色體的端粒和著絲粒精準地去除，然後將已經構建好的兩條染色體從缺口處進行結合。在重複了15輪染色體融合後，共去除了30個端粒和15個著絲粒，剩餘2個端粒和1個著絲粒。最終將酵母的16條染色體融合成一條完整的染色體。為此，研究團隊花費了4年的時間。

外圈是原本的16條染色體，內圈為融合後的單條染色體

酵母生長周期短，這意味著這種染色體整合的菌株在實驗室可以長期追蹤，長達數月甚至數年。這就使得研究者可以追尋影響染色體融合菌適應性能力的基因，從而來準確調控這些菌株的穩定性。

生存奇蹟

在完成了染色體從16條到1條的融合之後，研究小組深入鑒定了其代謝、生理和繁殖功能及其染色體的三維結構。他們發現雖然人工創建的單條線型染色體的三維結構發生了巨大變化，但酵母具有正常的細胞功能。這顛覆了染色體三維結構決定基因時空表達的傳統觀念，揭示了染色體三維結構與實現細胞生命功能的全新關係。

與此同時，他們發現，總體而言細胞大小、形狀等特性都沒有太大的改變，只有極少量的基因表達有所改變。當細胞在不同的條件和壓力下生長時，染色體數量減少並不會導致嚴重的生長缺陷。另外，染色體數量的改變並沒有阻礙其繁殖，它們都可以同具有相同數量染色體的菌株進行有性繁殖。

不過，覃重軍的團隊發現，將僅有單條染色體的菌株與正常酵母菌株共同培養時，單條染色體的菌株會明顯處於競爭劣勢。這似乎能夠說明，為什麼在幾百萬年來，酵母染色體的數量一直保持著穩定。

開創國際先河

在美國，美國科學院院士、紐約大學醫學院教授Jef Boeke團隊也在同期雜誌發表了背靠背研究文章，Jef Boeke是國際酵母基因組計劃的負責人。此次，這位酵母研究領域「老將」將酵母染色體從16條融合為2條，雖然他們經過很多努力，但是依然沒有成功獲得具有1條染色體且存活的酵母菌株。

在接受外媒採訪時，Boeke 解釋說，這種差異有很多可能的解釋，但比較合理的解釋可能與大小有關。他指出，覃重軍團隊從酵母染色體中刪除了更多的重複序列。

Gianni Liti認為，兩個研究組之所以出現這種差異，可能是因為他們以不同的順序和方向進行酵母染色體的融合。如果是這個原因，那可能意味著只有特定的基因組結構才能最終實現。未來，通過各種融合途徑來減少染色體數量，將揭示染色體結構對細胞存活的影響。另外一種解釋是，實驗中意外引入了突變，從而影響了細胞對新基因組的耐受性。

「在這次競爭中，我們可以說完勝了美國科學家！」覃重軍在接受文匯網時表示。

撰文：李曉慧

編輯：楊心舟

Chromosomes get together

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