本文轉自生物探索
8月2日，中科院上海植生所與武漢菲沙基因信息有限公司、軍事醫學研究院生物工程研究所合作，巧妙地將合成生物學、三維基因組及三代測序技術結合，合成出只含有1條染色體的釀酒酵母。相比於原本含有16條染色體的野生型釀酒酵母，這一“突變”酵母有哪些不同？讓我們進一步解讀！
除雄蟻Myrmecia pilosula只含有1條染色體之外，自然界幾乎所有的真核生物都含有多條染色體。然而，染色體數量與生物體功能之間的關係似乎沒有一個明確的規律——在哺乳動物中，人類二倍體細胞含有46條染色體，而印度麂二倍體細胞則含有最低數量的染色體（雌性6條，雄性7條）；在單細胞真核生物中，釀酒酵母含有16條染色體（基因組大小~12Mb），而裂殖酵母只有3條染色體（~14Mb）。
那麼，對於同一個真核細胞，含有多條染色體是否比只含有單條染色體更加有生存優勢呢？這至今仍然是個謎。
為了找到答案，中科院上海植生所覃重軍研究團隊想出“奇招”——人工改造釀酒酵母的16條染色體，將其融合成1條，從而驗證“單染色體酵母”的生存以及有性生殖能力。
他們與武漢菲沙基因信息有限公司、軍事醫學研究院生物工程研究所合作，使用PacBio三代測序技術組裝出釀酒酵母的基因組圖譜，並從三維基因組方向分析了酵母中染色體三維結構及基因互作所經歷的變化。相關研究成果於8月2日以“Creating a functional single chromosome yeast”為題發表在《Nature》期刊。
01
“魔剪改造”：16到1
研究團隊以含有16條染色體的釀酒酵母為模型，通過連續的染色體末端融合和著絲粒刪除，最終構建出只含有一條功能性染色體的酵母。
具體而言，他們藉助“魔剪”CRISPR-Cas9工具精確敲除15個著絲粒和30個端粒，使染色體末端-末端連接（這一融合順序是隨機選擇的），並避免影響鄰近基因，只保留最後一條染色體中部的著絲粒以平衡染色體的兩條臂。此外，19個端粒相關的長重複序列（>2kb）也被敲除了，以避免在未預期的位點發生潛在的同源重組，最終形成
單染色體酵母菌株SY14。02
變化巨大
相比於野生型釀酒酵母（左圖），只含有一條功能性染色體的酵母在染色體結構上的改變
16條線性染色體融合為1條之後，研究人員通過Hi-C技術發現，“突變”酵母染色質的三維結構發生了顯著的變化——著絲粒和端粒相關的染色質之間的互作發生大量消失，33%的染色體內的互作被保留下來了。
有意思的是，單條染色體酵母和野生型酵母的轉錄組和表型幾乎是一樣的。當與野生型酵母細胞共培養時，雖然單染色體酵母的生長競爭力減弱，但不同配型細胞之間仍能夠交配並進行有絲分裂，只是孢子存活率稍微減少。
03
研究意義
該研究首次在實驗室創造出了只含有一條線性染色體且具有生物學功能的真核生物。而且，這一合成的“健康”酵母表現出了一些很有意思的變化。
考慮到染色體在細胞核內的定位和染色體間的互作會影響基因的表達，現在SY14中大部分染色體間的互作消失了，染色體的整體三維結構也發生了較大的變化，但兩者在各方面的表現相類似。這意味著，酵母中染色體間的互作對全局性基因轉錄的影響較小。
然而，一些與壓力應答相關的基因，尤其是DNA複製壓力，在SY14中表達上調，這可能是因為染色體臂的變長增加了複製相關的拓撲學壓力。
釀酒酵母不僅是真核模式生物，也是用於生產能源和化工用品的細胞工廠。本研究為後續關於真核生物染色體結構和功能的研究提供了新的方法，所創造的一系列染色體融合菌株為後續深入研究端粒和著絲粒生物學功能、減數分裂重組、核組織與功能的關係等提供了重要價值。
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