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中国团队奇思妙想登Nature!首创“单染色体”酵母

2018/08/02 来源:生物探索
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导读
8月2日,中科院上海植生所与武汉菲沙基因信息有限公司、军事医学研究院生物工程研究所合作,巧妙地将合成生物学、三维基因组及三代测序技术结合,合成出只含有1条染色体的酿酒酵母。相比于原本含有16条染色体的野生型酿酒酵母,这一“突变”酵母有哪些不同?让我们进一步解读!


除雄蚁Myrmecia pilosula只含有1条染色体之外,自然界几乎所有的真核生物都含有多条染色体。然而,染色体数量与生物体功能之间的关系似乎没有一个明确的规律——在哺乳动物中,人类二倍体细胞含有46条染色体,而印度麂二倍体细胞则含有最低数量的染色体(雌性6条,雄性7条);在单细胞真核生物中,酿酒酵母含有16条染色体(基因组大小~12Mb),而裂殖酵母只有3条染色体(~14Mb)。

那么,对于同一个真核细胞,含有多条染色体是否比只含有单条染色体更加有生存优势呢?这至今仍然是个谜。

为了找到答案,中科院上海植生所覃重军研究团队想出“奇招”——人工改造酿酒酵母的16条染色体,将其融合成1条,从而验证“单染色体酵母”的生存以及有性生殖能力。

他们与武汉菲沙基因信息有限公司、军事医学研究院生物工程研究所合作,使用PacBio三代测序技术组装出酿酒酵母的基因组图谱,并从三维基因组方向分析了酵母中染色体三维结构及基因互作所经历的变化。相关研究成果于8月2日以“Creating a functional single chromosome yeast”为题发表在《Nature》期刊。

“魔剪改造”:16到1

研究团队以含有16条染色体的酿酒酵母为模型,通过连续的染色体末端融合和着丝粒删除,最终构建出只含有一条功能性染色体的酵母。

具体而言,他们借助“魔剪”CRISPR-Cas9工具精确敲除15个着丝粒和30个端粒,使染色体末端-末端连接(这一融合顺序是随机选择的),并避免影响邻近基因,只保留最后一条染色体中部的着丝粒以平衡染色体的两条臂。此外,19个端粒相关的长重复序列(>2kb)也被敲除了,以避免在未预期的位点发生潜在的同源重组,最终形成单染色体酵母菌株SY14

变化巨大


相比于野生型酿酒酵母(左图),只含有一条功能性染色体的酵母在染色体结构上的改变

16条线性染色体融合为1条之后,研究人员通过Hi-C技术发现,“突变”酵母染色质的三维结构发生了显著的变化——着丝粒和端粒相关的染色质之间的互作发生大量消失,33%的染色体内的互作被保留下来了。

有意思的是,单条染色体酵母和野生型酵母的转录组和表型几乎是一样的。当与野生型酵母细胞共培养时,虽然单染色体酵母的生长竞争力减弱,但不同配型细胞之间仍能够交配并进行有丝分裂,只是孢子存活率稍微减少。

研究意义

该研究首次在实验室创造出了只含有一条线性染色体且具有生物学功能的真核生物。而且,这一合成的“健康”酵母表现出了一些很有意思的变化。

考虑到染色体在细胞核内的定位和染色体间的互作会影响基因的表达,现在SY14中大部分染色体间的互作消失了,染色体的整体三维结构也发生了较大的变化,但两者在各方面的表现相类似。这意味着,酵母中染色体间的互作对全局性基因转录的影响较小。

然而,一些与压力应答相关的基因,尤其是DNA复制压力,在SY14中表达上调,这可能是因为染色体臂的变长增加了复制相关的拓扑学压力。

酿酒酵母不仅是真核模式生物,也是用于生产能源和化工用品的细胞工厂。本研究为后续关于真核生物染色体结构和功能的研究提供了新的方法,所创造的一系列染色体融合菌株为后续深入研究端粒和着丝粒生物学功能、减数分裂重组、核组织与功能的关系等提供了重要价值。

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