为什么生物要那么多染色体,就留一个不行吗?我们试一试吧!
果壳网08-10

 

染色体这个概念,大家都听过。真核生物把它们的遗传物质—— DNA 就放在染色体上,不同的真核生物所拥有的染色体数量也是不同的。

不过,染色体的数量和生物的复杂程度、基因量都没啥关系。澳大利亚的杰克跳蚁(Myrmecia pilosula)的雄蚁只有 1 条染色体,而一种小型蕨类植物瓶尔小草(Ophioglossum reticulatum)的染色体数量则高达 1260 条。

既然如此,人为什么要有 23 对染色体呢?不可以融合成一对甚至一个吗?

黑猩猩拥有 24 对染色体,比人类多一对 | pixabay

染色体也能玩 " 接龙 "?

人们对于染色体数量这么个简单问题,数十年来压根一筹莫展。假说提了一大堆,有些甚至写进了教科书里,但是实锤却一点都没有。

不过就在今年,终于有人把这重要的第一步给迈了出去。

就在 8 月 2 日,国际顶尖的科学期刊《自然》同时上线了两篇重量级论文,一篇来自纽约大学系统遗传学研究所的Jef Boeke 团队,他们成功将酿酒酵母的 16 条染色体彼此 " 融合 ",缩减到 2 条染色体。而另一篇出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等实验室则更进一步,将酿酒酵母的全部 16 条染色体融合成了 1 条染色体

酿酒酵母在电子显微镜下的照片 | wikipedia

其实他们采用的方法在原理上很好理解,整个过程就像是个染色体 " 接龙 "——先去除两条染色体两端的端粒(相当于摘掉染色体两端的保护套)和其中一个染色体中央的着丝粒部分(否则融合出来的新染色体会有两个着丝粒就很不稳定),再在两端放入一个可以介导染色体彼此连接的同源序列(作用相当于一个彼此匹配的接口),然后两条染色体就有一定的概率融合成一条。可以配合下图想象一下这个过程。

染色体融合的原理大至相当于把两根电线的保护端剥开、各自加上一个可以互相匹配的接头、再连接在一起 | 鬼谷藏龙

染色体融合过程在原文中示意图 | 参考文献 [ 3 ]

虽然听起来好像没啥大不了的,但这种事放几年前都无法想象。不过所幸,借助于 CRISPR/Cas9 等最新的基因编辑技术,这种方案在今天终于可能实现了。尽管如此,它依旧是个非常艰辛的工作。

覃重军团队耗时四年,做了大量的尝试才完成全部 15 轮染色体融合构建出一株只有一条染色体的酵母菌株。而 Jef Boeke 团队所付出的努力想必也不会更少,却最终也没有将最后的两条染色体融合在一起。

覃重军构建的全融合酿酒酵母染色体示意图,这个巨大染色体的不同区段分别对应原有的 16 条染色体 | 参考文献 [ 2 ]

融合后的染色体有什么不同?

而突破染色体融合的难关后,覃重军的研究团队又对此进行了深入的探究。他们发现,将酵母的 16 条染色体融合成一条以后,原来染色体上的那些基因表达却并没有受什么影响,酵母的形态功能各方面,除了减数分裂略有异常外,全部都正常如初

通过更进一步的研究,他们还发现,染色体的融合强烈改变了染色质的大尺度结构(注:狭义上的染色体只有在细胞分裂时才会短暂出现,那是一种 DNA 的浓缩状态 <DNA.rar>,在大部分时候,细胞内的 DNA 以一种松散的形态存在 <DNA.exe>,这种状态称为染色质),传统理论认为,大尺度的染色质结构会影响基因的表达,而这项研究很可能颠覆原有的理论

上图左边为野生型的酿酒酵母(16 条染色体)的染色质的空间结构,右图是这 16 条染色体合体之后的染色质形态。图中蓝色小球代表端粒,红色小球代表着丝粒,同样的颜色片段为互相对应的染色体片段。可以看出,染色体融合导致大尺度上的结构变化,但是局部的染色质形态则基本保持不变 | 参考文献 [ 3 ]

这项工作可以说将生命科学的某些领域推进到了一个全新的境界,我们无法知道这个境界里究竟有什么。覃重军等科学家作为进入这一重新天地的先驱,已经瞥见了一些宝藏,却也带来了更多的未知——

· 染色体的长度真的没有任何限制吗

· 如果大尺度的染色质结构没有意义,那为什么几乎所有生物的染色质都会在大尺度上表现出一些有序的结构

· 既然一条染色体已经够用,为什么绝大多数真核生物都会选择保留复数条染色体

· Jef Boeke 还发现当酿酒酵母的染色体数融合成 8 条的时候突然就和普通的酵母产生了生殖隔离,这又是什么原因?

无限的问题,无限的可能在等待科学家们一个个去解读,或许不久之后又会得出新的惊诧世人的成果呢?这染色体的数量之谜会不会像当年物理学界的两朵 " 小乌云 " 那样,在拨云见日之际展现出一个惊艳的新世界来呢?想来还真是令人心潮澎湃呢!

参考文献:

[ 1 ] .Luo, Jingchuan, Sun, Xiaoji, Cormack, Brendan P. & Boeke, Jef D. ( 2018 ) . Karyotype engineering by chromosome fusion leads to reproductive isolation in yeast.   Nature,   1476-4687.

[ 2 ] .Shao, Yangyang, Lu, Ning, Wu, Zhenfang, Cai, Chen, Wang, Shanshan, Zhang, Ling-Li, Zhou, Fan, Xiao, Shijun, Liu, Lin, Zeng, Xiaofei, Zheng, Huajun, Yang, Chen, Zhao, Zhihu, Zhao, Guoping, Zhou, Jin-Qiu, Xue, Xiaoli & Qin, Zhongjun. ( 2018 ) . Creating a functional single-chromosome yeast.   Nature,   1476-4687.

[ 3 ] .Nature News: Yeast chromosome numbers minimized using genome editing

作者:鬼谷藏龙

编辑:小柒、东风

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评论
Sam
08-11
我们是不是可以反过来想:其实生物在单细胞时代本来就是一条染色体的,在进化过程中的突变让染色体分裂了,而这个突变体跟非突变体交配生殖的后代有一定概率成活,这些后代就带有更多数量的染色体。也就是说染色体数量不是一条而是多条是进化历史的偶然。
紫-晟
08-10
结果是,我们现在点发现就好比牛顿和爱因斯坦的理论
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