著名的科学期刊《自然》网站近日报道，在一次戏剧性的重组中，来自中国和美国的两个团队创造了面包酵母的新版本，大大减少了染色体数量。整个酵母基因组被挤压为一条单独的染色体。
图片：啤酒酵母是一种单细胞生物，通常有16条染色体。
数百万年来，啤酒酵母及其近亲将DNA分解成16条不同的染色体。 现在，两个团队已经使用CRISPR基因编辑技术将所有酵母的遗传物质 - 只刨除一些非必需的片段 - 填充到一两条染色体中。 这项壮举代表了复杂基因组中最引人注目的重组，可以帮助科学家理解为什么有机体将DNA分离到染色体上。 并且，令研究人员惊讶的是，这些变化对酵母（Saccharomyces cerevisiae）的大多数功能几乎没有影响。
纽约大学的遗传学家杰夫·布克（Jef Boeke）表示，“这是最令人震惊的事 - 你可以不在乎这事，酵母菌似乎也耸耸肩，”他的团队将酵母基因组卡在一对染色体1上。 一个中国的团队使用不同的技术制造出单一的'超级染色体'2酵母菌。 两个小组于8月1日在《自然》学术杂志上报告了他们的研究结果
遗传学101
酵母菌属于真核生物，是包括人类，植物和动物的生物分支，其细胞将遗传物质储存在膜结合的细胞核中。 但真核生物的染色体数量变化很大，似乎与它们拥有的遗传信息量无关。 在人类中，遗传物质分布在46条染色体上，而雄性杰克弹跳蚂蚁（Myrmecia pilosula）只有1条染色体。单细胞啤酒酵母 - 其基因组长度为1200万个DNA字母，比人类短数百倍 - 拥有16条染色体。
“我们不知道为什么它们的染色体有这么多不同的数量，”中国科学院上海植物生理学和生态学研究所的分子生物学家秦忠军（音译）说，他的团队创造了单染色体的酵母菌株。 “我认为这可能是随机的。”
秦和他的同事们推断，如果一个生物体的染色体数量取决于概率而不是一个潜在的自然规则，那么就没有理由认为酵母细胞不应该是一条染色体而必须是16条染色体。过去的研究人员融合了两个甚至四个酵母染色体在一起，另一个团队将16条染色体分成33条。所有产品都有活的细胞。 但是，没有人像秦和他的同事几年前所做的那样进行过如此极端的遗传手术。
他们最初的尝试以失败告终，直到他们转向基因组编辑工具CRISPR-Cas9，它擅长切除特定的DNA序列。 秦和他的同事使用CRISPR去除端粒上的DNA，端粒是保护它们免于降解的染色体末端。 他们还剪掉了着丝粒--对DNA复制很重要的中间序列。
这些变化为整合整理铺平了道路，这将使家庭组织大师Marie Kondo感到自豪。 研究人员首先融合了两条染色体，然后将这种产品加入到另一条染色体中，然后连续几轮，再加入另一条染色体 - 直到它们留下一条单独的染色体酵母菌株（参见'Minimal yeast'）。
图片：左侧是美国团队的工作，右侧是中国团队的工作
Boeke的团队也使用CRISPR来去除多余的端粒和着丝粒，以创建染色体逐渐减少的菌株。 他们最终得到的酵母菌株有两条超长的染色体，但它们无法将两者融合成一条。 （Boeke还领导了一项从头开始合成整个酵母基因组的独立的国际项目。）
对这种差异的一种解释是，秦的团队放弃了19个重复的DNA片段。 秦说，这些序列可能干扰了细胞用来将两条染色体缝合成一条的机制。 或者，Boeke说，这可能是偶然的：大约有1019种不同的方法将酵母的16条染色体排列成1条，中国队可能只是碰上了一个成功的组合。
成长的烦恼
两种“最小”酵母菌株在显微镜下看起来都是正常的，并且染色体数目的变化对它们的基因活性几乎没有影响。 但是当Boeke的菌株经历正常的无性繁殖并且与16染色体菌株一样有效生长时，单独染色体的酵母分裂得更慢。
两种菌株中唯一的主要缺陷是有性繁殖，其中具有两个基因组拷贝的酵母细胞产生仅具有一个基因组的“孢子”。 中国团队的单染色体菌株与正常酵母相比，通过交配使其基因组倍增而生长得更慢，并且产生的孢子更少。
当他们试图用不同数量的染色体哄骗酵母菌株来产生孢子时，Boeke和他的同事观察到了缺陷。 Boeke说，这种遗传不相容性可用于防止释放到环境中的合成酵母与野生菌株交配。他还指出，双染色体酵母可能有资格作为一个独特的物种，因为它不能与正常酵母繁殖，尽管DNA几乎相同。
科学家倾向于关注DNA序列变化在创造新物种中的作用，但是这些研究表明，自然染色体融合也可能发挥作用，法国尼斯科特迪瓦大学的遗传学家Gianni Liti说。
西雅图华盛顿大学的计算生物学家威廉·诺布尔说，研究这些菌株有助于解释为什么几乎所有的真核生物将DNA分配到多个染色体上。 “为什么要这么麻烦？”他说。 “如果你只需要一个，那将是'奥卡姆剃刀'的解决方案。
