詳解Cell Research丨人造環狀單染色體酵母的意義在哪？

責編丨迦漵

今年8月2日，來自中科院上海生命科學研究院植物生理生態研究所的覃重軍課題組、趙國屏院士課題組以及中科院生化細胞所周金秋課題組組成的合作團隊與紐約大學系統遺傳學研究所（ISG）的Jef Boeke團隊在Nature背靠背發表了關於酵母染色體融合重塑基因組結構的研究論文，兩支團隊從包含16條染色體（大小區間為230kb-1532kb）的釀酒酵母出發，採用層級融合染色體策略，分別獲得僅有1條和2條染色體的酵母細胞。令人意外的是，這些重塑基因組結構的酵母細胞展現出與野生型細胞相似的轉錄組水準和表型。該工作對於重新認知基因組結構的魯棒性以及染色體結構和功能對真核生物進化的影響有極其重要的價值。（詳見BioArt此前詳細的報導：中國學者創造單條融合染色體酵母——元英進、戴俊彪等解讀。）

那麼問題來了，在上述基礎之上，16條融合為1條的染色體是否可以更進一步形成環狀染色體呢？12月17日，覃重軍課題組與合作者在Cell Research上以Letter形式發表了題為A single circular chromosome yeast的論文，通過「工程化精準設計」創造出了世界首例線性的單條染色體酵母菌株SY15。據上觀新聞報導，該研究的新穎性在於，第一次實現了精確環化，即通過把單條線型染色體兩端的端粒敲除，直接變成了單條環型染色體，從而可以更清晰地觀察到，在細胞的衰老和異常過程中，到底發生了什麼。

覃重軍在採訪中談到，「我們觀察到，從線型到環型，細胞生長變慢，細胞形態異常並且失去了減數分裂產生後代的功能，這與人體染色體的環化都有相似之處，將有助於為人類染色體疾病研究建立相關模型。」

「讓人驚訝的是，原本以為單條線型染色體環化以後，會很難生存，沒想到還是活得比較好。此外，我們發現它並沒有端粒依賴的衰老。」

該工作的另一層意義在於，能為高等生物的染色體疾病及衰老的研究提供有用的模型。

從文章的具體內容來看，研究團隊首先使用CRISPR-Cas9在線性單染色體酵母菌株SY14的兩個端粒處產生雙鏈斷裂，再基於同源重組將其連接，創造出了環狀單染色體酵母菌株SY15（下圖），並使用端粒免疫熒光染色及脈衝場電泳驗證了菌株的正確性。

其次，研究人員研究了SY15的基因組三維結構研究（此部分由菲沙基因承擔）。通過對SY15菌株進行Hi-C，與SY14對比發現，基因組3D結構總體上仍表現為球狀結構，而10號染色體和16號染色體的兩個端粒融合處的染色質與鄰近區域的互作強度顯著增加（下圖紅色箭頭指示）。在此融合過程中，SY14菌株中46%的互作丟失，且在SY15菌株中新產生了13.5%的互作。

隨後，研究人員進一步對菌株的轉錄組及表型變化進行了分析。研究發現，雖然空間互作模式發生了一定程度的變化，然而只有少量基因發生差異表達。其中包括10個與壓力應答相關的基因表達上調，這表明染色體的成環增加了酵母的生存壓力。另外有4個基因表達上調是由於端粒缺失效應。

在電鏡下觀察到SY15的細胞形態與SY14基本相同（下圖），僅有少量細胞產生了芽體變長的形態。表型微陣列分析表明兩種酵母的代謝活性也基本類似，僅在一些高鹽培養條件下其代謝活性有所減弱。

與SY14相似，SY15單獨培養時也能正常生長增殖，然而與SY14共培養後，其細胞數量快速減少。此外，不同配型的SY15菌株能夠雜交產生孢子，但孢子的存活率較低且二倍體SY15菌株不穩定，這表明SY15菌株的生長適應性有較大程度的減弱。

在本研究中，研究團隊首次在實驗室創造出了隻含有一條環狀染色體且具有生物學功能的真核生物-釀酒酵母SY15。此菌株雖然能夠存活，但生長適應性顯著減弱，這種大型的環狀染色體增加了壓力應答相關基因的表達水準，可能是源於環狀染色體的複製和分離壓力。

具有環狀染色體的細菌通常以單個複製起點進行DNA的複製，而大多數具有環狀染色體的古菌則是進行多起始位點的複製，但這種調控機制還不清楚，作者推測SY15菌株採用的可能是多起始位點複製方式。線性染色體被認為可以促進有機體產生後代，然而端粒的出現給細胞生存帶來了諸多困難，端粒必須受到特定蛋白複合體的保護以避免線性染色體末端的融合和降解。此外，複製過程中端粒需要端粒酶，因此，生物體線性染色體以及端粒和端粒酶的進化可能是對適應環境挑戰的權衡，這也可能是自然界中具有環狀染色體的原核生物進化為含有線性染色體的真核生物的一種適應性策略。

據悉，文章共同第一作者為中科院植生所邵洋洋、魯寧，中科院生化與細胞研究所蔡琛，菲沙基因周帆，共同通訊作者為北京生物技術研究所趙志虎、生化與細胞研究所周金秋、中科院植生所趙國屏、薛小莉、覃重軍。菲沙基因在此研究中承擔了酵母Hi-C實驗及分析工作。

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