作者：鬼谷藏龍
編輯：小柒
“染色體”這個概念，大家多多少少應(yīng)該都有聽過。諸如動物、植物和真菌之類擁有復(fù)雜細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物（也就是真核生物），它們的遺傳物質(zhì)——DNA就存在這種叫做染色體的結(jié)構(gòu)上。
染色體結(jié)構(gòu)示意圖。圖片來源：pixabay
不同的真核生物所擁有的染色體數(shù)量可謂天差地別：比如人類擁有23對染色體，我們做實驗的小白鼠有20對染色體，家里的汪星人則有39對染色體。
可是你是否想過，生物的染色體數(shù)目為什么不一樣呢？
一般來說，表述越是簡單的問題就越能觸及知識的本質(zhì)。然而就像是最優(yōu)美簡潔的公式背后往往蘊含著最高深的智慧，染色體的數(shù)量問題，自染色體被發(fā)現(xiàn)以來就是生命科學(xué)領(lǐng)域的最大謎團之一。
生物的染色體數(shù)目為什么不一樣呢？ 圖片來源：pixabay
首先， 染色體的數(shù)量和生物的復(fù)雜程度無關(guān)， 單細(xì)胞的釀酒酵母擁有16條染色體，澳大利亞有一種螞蟻 Myrmecia pilosula 的雄蟻卻只有1條染色體，而一種小型蕨類植物 Ophioglossum reticulatum 的染色體數(shù)量則高達1260條。
其次， 染色體的數(shù)量和基因量也沒啥關(guān)系， 比如裂殖酵母和釀酒酵母的基因量差不多，生活方式也基本類似，但是裂殖酵母卻只有3條染色體。最后，染色體的數(shù)量在演化過程中也經(jīng)常改變，比如我們?nèi)祟愖罱慕H黑猩猩就比我們多一對染色體。
黑猩猩擁有24對染色體，比人類多一對。 圖片來源： pixabay
生物染色體數(shù)量竟能如此“狂放不羈”，以至于人們一切總結(jié)歸納的努力都顯得很徒勞。既然，無法從觀察中解決問題，我們能不能通過實驗來解決呢？也不行，因為長久以來科學(xué)家甚至連解決這個問題的第一步都無法邁出——以往的研究手段根本無法實現(xiàn)在改變某種生物的染色體數(shù)量的同時保持基因數(shù)量不變。
可以說，人們對于染色體數(shù)量這么個簡單問題，數(shù)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，終于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(xué)期刊《自然》同時上線了兩篇重量級論文，一篇來自紐約大學(xué)系統(tǒng)遺傳學(xué)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(xué)研究院，植物生理生態(tài)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。圖片來源：wikipedia
其實他們采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(dāng)于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(wěn)定），再在兩端放入一個可以介導(dǎo)染色體彼此連接的同源序列（作用相當(dāng)于一個彼此匹配的接口），然后兩條染色體就有一定的概率融合成一條。可以配合下圖想象一下這個過程。
染色體融合的原理大至相當(dāng)于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。圖片制作：鬼谷藏龍
染色體融合過程在原文中示意圖。圖片來源：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象。不過所幸， 借助于CRISPR/Cas9等最新的基因編輯技術(shù)，這種方案在今天終于可能實現(xiàn)了。 盡管如此，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(gòu)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，卻最終也沒有將最后的兩條染色體融合在一起。
覃重軍構(gòu)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(qū)段分別對應(yīng)原有的16條染色體。參考文獻[2]
而突破染色體融合的難關(guān)后，覃重軍的研究團隊又對此進行了深入的探究。他們發(fā)現(xiàn)，將酵母的16條染色體融合成一條以后，原來染色體上的那些基因表達卻并沒有受什么影響，酵母的形態(tài)功能各方面，除了減數(shù)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(fā)現(xiàn)，染色體的融合強烈改變了 染色質(zhì)的大尺度結(jié)構(gòu) （【注】狹義上的染色體只有在細(xì)胞分裂時才會短暫出現(xiàn)，那是一種DNA的濃縮狀態(tài)，在大部分時候，細(xì)胞內(nèi)的DNA以一種松散的形態(tài)存在，這種狀態(tài)稱為染色質(zhì)），傳統(tǒng)理論認(rèn)為，大尺度的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，右圖是這16條染色體合體之后的染色質(zhì)形態(tài)。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(yīng)的染色體片段?？梢钥闯?，染色體融合導(dǎo)致大尺度上的結(jié)構(gòu)變化，但是局部的染色質(zhì)形態(tài)則基本保持不變。參考文獻[3]
這項工作可以說將生命科學(xué)的某些領(lǐng)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么。覃重軍等科學(xué)家作為進入這一重新天地的先驅(qū)，已經(jīng)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(zhì)結(jié)構(gòu)沒有意義，那為什么幾乎所有生物的染色質(zhì)都會在大尺度上表現(xiàn)出一些有序的結(jié)構(gòu)？既然一條染色體已經(jīng)夠用，為什么絕大多數(shù)真核生物都會選擇保留復(fù)數(shù)條染色體？ Jef Boeke還發(fā)現(xiàn)當(dāng)釀酒酵母的染色體數(shù)融合成8條的時候突然就和普通的酵母產(chǎn)生了生殖隔離，這又是什么原因？
無限的問題，無限的可能在等待科學(xué)家們一個個去解讀，或許不久之后又會得出新的驚詫世人的成果呢？這染色體的數(shù)量之謎會不會像當(dāng)年物理學(xué)界的兩朵“小烏云”那樣，在撥云見日之際展現(xiàn)出一個驚艷的新世界來呢？想來還真是令人心潮澎湃呢！
作者名片
排版：小爽
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
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