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历时4年研究,我国科学家在全球首次实现了哺乳动物完整染色体的可编程连接,并创建出具有全新染色体组型的小鼠——“小竹”。8月26日,相关研究成果在国际学术期刊《科学》在线发表。该工作是生物工程技术领域的重要突破,为深入认识哺乳动物染色体大规模重构等结构变异及其对生长发育、繁殖演化乃至物种形成等分子机制拓展了研究策略,并奠定相应的技术平台。

同一物种的染色体在细胞中的组成及形态特征被称为核型,它是高度保守的,不易发生改变。但在漫长的生物演化过程中,染色体也会发生重排,这是物种进化的重要驱动力。啮齿类动物每百万年会积累3.2至3.5种染色体重排;人类的2号染色体则是在灵长类动物进化过程中,由两条端着丝粒染色体融合形成,而这两条染色体在黑猩猩的遗传物质中仍是分离的。

近年来,染色体精准重排率先在酵母基因组获得成功。但哺乳动物的基因组要复杂得多,此前,对哺乳动物染色体的重排只限于亚染色体水平。

我国科研人员打破了这一技术瓶颈。中国科学院动物研究所、北京干细胞与再生医学研究院研究员李伟与周琪团队合作,利用小鼠单倍体胚胎干细胞和基因编辑工具,成功将最长的染色体1号和2号进行正反连接,并将中等长度的5号和4号染色体进行首尾连接,同时发现在染色体连接过程中,可能会发生染色体的断裂和重新连接。这表明来自实验小鼠的两条独立存在的染色体在基因编辑后,可以以非同源末端连接修复的方式连接为一条染色体。

染色体连接小鼠“小竹”就是这样诞生的。其外表看似与普通小鼠无异,实则拥有世界上不曾存在的全新、独特染色体组型。这意味着我国科学家在全球首次实现了哺乳动物的完整染色体重排,取得了合成生物学领域新的突破。连接后的染色体还能够传递到后代小鼠,且进一步交配可以产生纯合小鼠,证明了两条染色体的连接不会导致绝对的生殖隔离,但携带连接染色体的小鼠生殖力明显下降。

这项研究首次建立了哺乳动物完整染色体可编程连接的新技术,为哺乳动物合成生物学增添了新的研究工具,为进化生物学研究提供了新思路,为探索染色体重排所致疾病的治疗方法提供了新技术手段。

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