“染色體”這個概念，大家多多少少應該都有聽過。諸如動物、植物和真菌之類擁有複雜細胞結構的生物（也就是真核生物），它們的遺傳物質——DNA就存在這種叫做染色體的結構上。
染色體結構示意圖。圖片來源：pixabay
不同的真核生物所擁有的染色體數量可謂天差地別：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，家裡的汪星人則有39對染色體。
可是你是否想過，生物的染色體數目為什麼不一樣呢？
一般來說，表述越是簡單的問題就越能觸及知識的本質。然而就像是最優美簡潔的公式背後往往蘊含著最高深的智慧，染色體的數量問題，自染色體被發現以來就是生命科學領域的最大謎團之一。
生物的染色體數目為什麼不一樣呢？圖片來源：pixabay
首先，染色體的數量和生物的複雜程度無關，單細胞的釀酒酵母擁有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的染色體數量則高達1260條。
其次，染色體的數量和基因量也沒啥關係，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。最後，染色體的數量在演化過程中也經常改變，比如我們人類最近的近親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
生物染色體數量竟能如此“狂放不羈”，以至於人們一切總結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在改變某種生物的染色體數量的同時保持基因數量不變。
可以說，人們對於染色體數量這麼個簡單問題，數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裡，但是實錘卻一點都沒有。
不過就在今年，終於有人把這重要的第一步給邁了出去。
就在8月2日，國際頂尖的科學期刊《自然》同時上線了兩篇重量級論文，一篇來自紐約大學系統遺傳學研究所的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研究院，植物生理生態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
其實他們採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（相當於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定），再在兩端放入一個可以介導染色體彼此連接的同源序列（作用相當於一個彼此匹配的接口），然後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於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。圖片製作：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，藉助於CRISPR/Cas9等最新的基因編輯技術，這種方案在今天終於可能實現了。儘管如此，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，卻最終也沒有將最後的兩條染色體融合在一起。
覃重軍構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段分別對應原有的16條染色體。參考文獻[2]
而突破染色體融合的難關後，覃重軍的研究團隊又對此進行了深入的探究。他們發現，將酵母的16條染色體融合成一條以後，原來染色體上的那些基因表達卻並沒有受什麼影響，酵母的形態功能各方面，除了減數分裂略有異常外，全部都正常如初。
通過更進一步的研究，他們還發現，染色體的融合強烈改變了染色質的大尺度結構（【注】狹義上的染色體只有在細胞分裂時才會短暫出現，那是一種DNA的濃縮狀態
上圖左邊為野生型的釀酒酵母（16條染色體）的染色質的空間結構，右圖是這16條染色體合體之後的染色質形態。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的染色體片段。可以看出，染色體融合導致大尺度上的結構變化，但是局部的染色質形態則基本保持不變。參考文獻[3]
這項工作可以說將生命科學的某些領域推進到了一個全新的境界，我們無法知道這個境界裡究竟有什麼。覃重軍等科學家作為進入這一重新天地的先驅，已經瞥見了一些寶藏，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結構沒有意義，那為什麼幾乎所有生物的染色質都會在大尺度上表現出一些有序的結構？既然一條染色體已經夠用，為什麼絕大多數真核生物都會選擇保留複數條染色體？ Jef Boeke還發現當釀酒酵母的染色體數融合成8條的時候突然就和普通的酵母產生了生殖隔離，這又是什麼原因？
無限的問題，無限的可能在等待科學家們一個個去解讀，或許不久之後又會得出新的驚詫世人的成果呢？這染色體的數量之謎會不會像當年物理學界的兩朵“小烏雲”那樣，在撥雲見日之際展現出一個驚豔的新世界來呢？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
閱讀更多 我是科學家iScientist 的文章
