為什麼生物要那麼多染色體，就留一個不行嗎？我們試一試吧！

染色體這個概念，大家都聽過。真核生物把它們的遺傳物質——DNA就放在染色體上，不同的真核生物所擁有的染色體數量也是不同的。

不過，染色體的數量和生物的複雜程度、基因量都沒啥關係。澳大利亞的傑克跳蟻（Myrmecia pilosula）的雄蟻只有1條染色體，而一種小型蕨類植物瓶爾小草（Ophioglossum reticulatum）的染色體數量則高達1260條。

既然如此，人為什麼要有23對染色體呢？不可以融合成一對甚至一個嗎？

黑猩猩擁有24對染色體，比人類多一對 | pixabay

染色體也能玩「接龍」？

人們對於染色體數量這麼個簡單問題，數十年來壓根一籌莫展。假說提了一大堆，有些甚至寫進了教科書里，但是實錘卻一點都沒有。

不過就在今年，終於有人把這重要的第一步給邁了出去。

就在8月2日，國際頂尖的科學期刊《自然》同時上線了兩篇重量級論文，一篇來自紐約大學系統遺傳學研究所的Jef Boeke團隊，他們成功將釀酒酵母的16條染色體彼此「融合」，縮減到2條染色體。而另一篇出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等實驗室則更進一步，將釀酒酵母的全部16條染色體融合成了1條染色體。

釀酒酵母在電子顯微鏡下的照片 | wikipedia

其實他們採用的方法在原理上很好理解，整個過程就像是個染色體「接龍」——先去除兩條染色體兩端的端粒（相當於摘掉染色體兩端的保護套）和其中一個染色體中央的著絲粒部分（否則融合出來的新染色體會有兩個著絲粒就很不穩定），再在兩端放入一個可以介導染色體彼此連接的同源序列（作用相當於一個彼此匹配的介面），然後兩條染色體就有一定的概率融合成一條。可以配合下圖想像一下這個過程。

染色體融合的原理大至相當於把兩根電線的保護端剝開、各自加上一個可以互相匹配的接頭、再連接在一起 | 鬼谷藏龍

染色體融合過程在原文中示意圖 | 參考文獻[3]

雖然聽起來好像沒啥大不了的，但這種事放幾年前都無法想像。不過所幸，藉助於CRISPR/Cas9等最新的基因編輯技術，這種方案在今天終於可能實現了。儘管如此，它依舊是個非常艱辛的工作。

覃重軍團隊耗時四年，做了大量的嘗試才完成全部15輪染色體融合，構建出一株只有一條染色體的酵母菌株。而Jef Boeke團隊所付出的努力想必也不會更少，卻最終也沒有將最後的兩條染色體融合在一起。

覃重軍構建的全融合釀酒酵母染色體示意圖，這個巨大染色體的不同區段分別對應原有的16條染色體 | 參考文獻[2]

融合後的染色體有什麼不同？

而突破染色體融合的難關後，覃重軍的研究團隊又對此進行了深入的探究。他們發現，將酵母的16條染色體融合成一條以後，原來染色體上的那些基因表達卻並沒有受什麼影響，酵母的形態功能各方面，除了減數分裂略有異常外，全部都正常如初。

通過更進一步的研究，他們還發現，染色體的融合強烈改變了染色質的大尺度結構（註：狹義上的染色體只有在細胞分裂時才會短暫出現，那是一種DNA的濃縮狀態，在大部分時候，細胞內的DNA以一種鬆散的形態存在，這種狀態稱為染色質），傳統理論認為，大尺度的染色質結構會影響基因的表達，而這項研究很可能顛覆原有的理論。

上圖左邊為野生型的釀酒酵母（16條染色體）的染色質的空間結構，右圖是這16條染色體合體之後的染色質形態。圖中藍色小球代表端粒，紅色小球代表著絲粒，同樣的顏色片段為互相對應的染色體片段。可以看出，染色體融合導致大尺度上的結構變化，但是局部的染色質形態則基本保持不變 | 參考文獻[3]

這項工作可以說將生命科學的某些領域推進到了一個全新的境界，我們無法知道這個境界里究竟有什麼。覃重軍等科學家作為進入這一重新天地的先驅，已經瞥見了一些寶藏，卻也帶來了更多的未知——

· 染色體的長度真的沒有任何限制嗎？

· 如果大尺度的染色質結構沒有意義，那為什麼幾乎所有生物的染色質都會在大尺度上表現出一些有序的結構？

· 既然一條染色體已經夠用，為什麼絕大多數真核生物都會選擇保留複數條染色體？

· Jef Boeke還發現當釀酒酵母的染色體數融合成8條的時候突然就和普通的酵母產生了生殖隔離，這又是什麼原因？

無限的問題，無限的可能在等待科學家們一個個去解讀，或許不久之後又會得出新的驚詫世人的成果呢？這染色體的數量之謎會不會像當年物理學界的兩朵「小烏雲」那樣，在撥雲見日之際展現出一個驚艷的新世界來呢？想來還真是令人心潮澎湃呢！

參考文獻：

[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：鬼谷藏龍

編輯：小柒、東風

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