中國學者製造出了只有一條染色體的酵母菌

新聞

2018年8月1日

整個酵母基因組擠進一個單獨的染色體

在一次戲劇性的重組中，有兩個研究小組創造出了一種染色體數目大大減少的麵包酵母。

釀酒酵母是一種單細胞生物，通常有16條染色體。信用：托馬斯·迪林克，NCMIR/蓋蒂

幾百萬年來，釀酒人的酵母和它的近親已經將他們的DNA包裝成16條不同的染色體。現在，有兩個研究小組使用CRISPR基因編輯技術將酵母的所有遺傳物質——除了一些非必需的片段——塞進一到兩條染色體中。這個壯舉代表了複雜基因組中最戲劇性的重組過程，並有助於科學家理解為什麼有機體會將其DNA分成染色體。而且，讓研究者驚訝的是，這些變化對酵母的大部分功能幾乎沒有影響。

紐約大學的遺傳學家Jef Boeke說：「這是最大的震撼——你可以擺脫它，酵母似乎聳了聳肩。」他的研究小組將酵母基因組卡在一對染色體上。中國的一個研究小組使用了一種不同的技術來製造含有一個「超級染色體」2的酵母。兩個小組都在8月1日的《自然》雜誌上報告了他們的調查結果。

遺傳學

酵母屬於真核生物，是包括人類、植物和動物在內的生命的分支，其細胞將遺傳物質儲存在膜結合的細胞核中。但真核生物所擁有的染色體數量差異很大，似乎與它們所擁有的遺傳信息量無關。在人類中，遺傳物質分布在46條染色體上，而男性跳高蟻（Myrmecia pilosula）僅有一條染色體。單細胞啤酒酵母擁有16條染色體。酵母的基因組長1200萬個DNA字母，比人類的短几百倍。

中國科學院上海植物生理研究所的分子生物學家秦中軍說：「我們不知道為什麼他們的數據如此不同。」

生態學

他的研究小組創造了單染色體酵母菌株，「我認為這可能是隨機的。」

Qin和他的同事們推斷，如果一個有機體的染色體計數是偶然的，而不是一個潛在的自然法則，那麼就沒有理由認為一個酵母細胞不應該有1條染色體而不是16條染色體而存活。過去，研究人員將23個——甚至44個——酵母染色體融合在一起，另一個研究小組將16個染色體分成33個染色體。所有產品都有活細胞。但幾年前，還沒有人做過像秦和他的同事們打算做的那種極端的基因手術。

他們最初的嘗試最終以失敗告終——直到他們求助於基因組編輯工具CRISPR–Cas9，該工具擅長去除特定的DNA序列。Qin和他的同事使用CRISPR來去除端粒上的DNA，端粒是染色體的末端，保護它們免受降解。他們還剪下了對DNA複製很重要的著絲粒，即位於中間的序列。

這些變化為一次整理鋪平了道路，這將使家庭組織專家近藤瑪麗感到自豪。研究人員首先融合了兩條染色體，然後將這一產物連接到另一條染色體上，然後依次連接到另一條染色體上——直到他們只剩下一條染色體的酵母菌株（見「最小酵母」）。

Boeke 的團隊還使用 CRISPR 來去除多餘的端粒和著絲粒, 以產生逐漸減少染色體的菌株。他們最終得到了一個酵母菌株, 有兩個超長的染色體, 但他們不能得到這對融合成一個。(Boeke 也在領導一個獨立的國際努力, 從頭開始合成整個酵母基因組。

其中一個解釋是, 秦的團隊也拋棄了19重複的 DNA 片段。這些序列可能會干擾細胞用來縫合兩條染色體的機制, 秦。或者, Boeke 說, 這可能是偶然的: 有大約10–19不同的方式來安排酵母的16染色體到 1, 中國隊可能只是打了一個成功的組合。

在顯微鏡下, "最小" 酵母的兩種菌株看起來都正常, 染色體數量的變化對它們的基因活性影響不大。雖然 Boeke 的菌株進行了正常的無性繁殖, 並且像16染色體菌株一樣有效地生長, 但單染色體酵母的分裂更慢。

唯一的主要缺陷-在兩種菌株-是在性繁殖, 其中酵母細胞與兩個基因組複製產生 " 孢子 " 只有一個。與正常酵母相比, 中國隊的單染色體菌株生長速度更慢, 當其基因組通過交配加倍時, 孢子就減少了。

Boeke 和他的同事們觀察到一些缺陷, 當他們試圖哄酵母菌株與不同數量的染色體, 以產生孢子。Boeke 說, 這種基因 incompatability 可以用來防止合成酵母, 釋放到環境中與野生菌株交配。他還指出, 雙染色體酵母可能是一個獨特的物種, 因為它不能繁殖與正常酵母, 儘管有接近相同的 DNA。科學家們傾向於關注 DNA 序列變化在創造新物種方面的作用, 但這些研究表明, 自然染色體融合也可能起到某種影響, 法國尼斯海岸大學的遺傳學家阿吉. 政治說, 他回顧了文件, 並寫了陪同 essay6。

美國西雅圖華盛頓大學的計算生物學家威廉？貴族說, 研究這種菌株有助於解釋為什麼幾乎所有的真核生物將 DNA 分配到多條染色體中。他說: "何必費心呢？"如果你只需要一個, 這將是 " 奧卡姆的剃刀 " 解決方案。

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