著名的科學期刊《自然》網站近日報道， 在一次戲劇性的重組中， 來自中國和美國的兩個團隊創造了面包酵母的新版本， 大大減少了染色體數量。 整個酵母基因組被擠壓為一條單獨的染色體。
圖片：啤酒酵母是一種單細胞生物， 通常有16條染色體。
數百萬年來， 啤酒酵母及其近親將DNA分解成16條不同的染色體。 現在， 兩個團隊已經使用CRISPR基因編輯技術將所有酵母的遺傳物質 - 只刨除一些非必需的片段 - 填充到一兩條染色體中。 這項壯舉代表了復雜基因組中最引人注目的重組， 可以幫助科學家理解為什么有機體將DNA分離到染色體上。
紐約大學的遺傳學家杰夫·布克（Jef Boeke）表示， “這是最令人震驚的事 - 你可以不在乎這事， 酵母菌似乎也聳聳肩， ”他的團隊將酵母基因組卡在一對染色體1上。 一個中國的團隊使用不同的技術制造出單一的'超級染色體'2酵母菌。 兩個小組于8月1日在《自然》學術雜志上報告了他們的研究結果
遺傳學101
酵母菌屬于真核生物， 是包括人類， 植物和動物的生物分支， 其細胞將遺傳物質儲存在膜結合的細胞核中。 但真核生物的染色體數量變化很大， 似乎與它們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， 而雄性杰克彈跳螞蟻（Myrmecia pilosula）只有1條染色體。
“我們不知道為什么它們的染色體有這么多不同的數量， ”中國科學院上海植物生理學和生態學研究所的分子生物學家秦忠軍（音譯）說， 他的團隊創造了單染色體的酵母菌株。 “我認為這可能是隨機的。 ”
秦和他的同事們推斷， 如果一個生物體的染色體數量取決于概率而不是一個潛在的自然規則， 那么就沒有理由認為酵母細胞不應該是一條染色體而必須是16條染色體。 過去的研究人員融合了兩個甚至四個酵母染色體在一起， 另一個團隊將16條染色體分成33條。 所有產品都有活的細胞。 但是， 沒有人像秦和他的同事幾年前所做的那樣進行過如此極端的遺傳手術。
他們最初的嘗試以失敗告終， 直到他們轉向基因組編輯工具CRISPR-Cas9， 它擅長切除特定的DNA序列。 秦和他的同事使用CRISPR去除端粒上的DNA， 端粒是保護它們免于降解的染色體末端。 他們還剪掉了著絲粒--對DNA復制很重要的中間序列。
這些變化為整合整理鋪平了道路， 這將使家庭組織大師Marie Kondo感到自豪。 研究人員首先融合了兩條染色體， 然后將這種產品加入到另一條染色體中， 然后連續幾輪， 再加入另一條染色體 - 直到它們留下一條單獨的染色體酵母菌株（參見'Minimal yeast'）。
圖片：左側是美國團隊的工作， 右側是中國團隊的工作
Boeke的團隊也使用CRISPR來去除多余的端粒和著絲粒， 以創建染色體逐漸減少的菌株。
對這種差異的一種解釋是， 秦的團隊放棄了19個重復的DNA片段。 秦說， 這些序列可能干擾了細胞用來將兩條染色體縫合成一條的機制。 或者， Boeke說， 這可能是偶然的：大約有1019種不同的方法將酵母的16條染色體排列成1條， 中國隊可能只是碰上了一個成功的組合。
成長的煩惱
兩種“最小”酵母菌株在顯微鏡下看起來都是正常的， 并且染色體數目的變化對它們的基因活性幾乎沒有影響。 但是當Boeke的菌株經歷正常的無性繁殖并且與16染色體菌株一樣有效生長時， 單獨染色體的酵母分裂得更慢。
兩種菌株中唯一的主要缺陷是有性繁殖， 其中具有兩個基因組拷貝的酵母細胞產生僅具有一個基因組的“孢子”。 中國團隊的單染色體菌株與正常酵母相比， 通過交配使其基因組倍增而生長得更慢， 并且產生的孢子更少。
當他們試圖用不同數量的染色體哄騙酵母菌株來產生孢子時， Boeke和他的同事觀察到了缺陷。 Boeke說， 這種遺傳不相容性可用于防止釋放到環境中的合成酵母與野生菌株交配。 他還指出， 雙染色體酵母可能有資格作為一個獨特的物種， 因為它不能與正常酵母繁殖， 盡管DNA幾乎相同。
科學家傾向于關注DNA序列變化在創造新物種中的作用， 但是這些研究表明， 自然染色體融合也可能發揮作用， 法國尼斯科特迪瓦大學的遺傳學家Gianni Liti說。
西雅圖華盛頓大學的計算生物學家威廉·諾布爾說，研究這些菌株有助于解釋為什么幾乎所有的真核生物將DNA分配到多個染色體上。 “為什么要這么麻煩？”他說。 “如果你只需要一個，那將是'奧卡姆剃刀'的解決方案。
法國尼斯科特迪瓦大學的遺傳學家Gianni Liti說。西雅圖華盛頓大學的計算生物學家威廉·諾布爾說，研究這些菌株有助于解釋為什么幾乎所有的真核生物將DNA分配到多個染色體上。 “為什么要這么麻煩？”他說。 “如果你只需要一個，那將是'奧卡姆剃刀'的解決方案。