Forskere udvikler første bæredygtige kromosomændringer hos mus

Evolutionære kromosomændringer kan tage en million år i naturen, men forskere rapporterer nu om en ny teknik, der muliggør programmerbar kromosomfusion, som med succes har produceret mus med genetiske ændringer, der sker på en million-års evolutionær skala i laboratoriet. Resultatet kan give kritisk indsigt i, hvordan omlejringer af kromosomer - de ryddelige pakker af organiserede gener, leveret i lige antal fra hver forælder, som tilpasser og bytter eller blander egenskaber for at producere afkom - påvirker evolutionen.

I resultater offentliggjort i dag i Science , afslører forskerne, at konstruktion på kromosomniveau kan opnås hos pattedyr, og de har med succes udledt en laboratoriehusmus med en ny og bæredygtig karyotype, der giver kritisk indsigt i, hvordan kromosomomlejringer kan påvirke evolutionen.

"Laboratoriehusmusen har opretholdt en standard 40-kromosom karyotype - eller det fulde billede af en organismes kromosomer - efter mere end 100 års kunstig avl," sagde medforfatter Li Zhikun, forsker i det kinesiske videnskabsakademi (CAS) ) Institut for Zoologi og Statens nøglelaboratorium for stamcelle- og reproduktionsbiologi. "Over længere tidsskalaer er karyotypeændringer forårsaget af kromosomomlejringer imidlertid almindelige. Gnavere har 3,2 til 3,5 omlejringer pr. million år, hvorimod primater har 1,6."

Sådanne små ændringer kan have store konsekvenser, ifølge Li. Hos primater er ændringerne på 1,6 forskellen mellem mennesker og gorillaer. Gorillaer har to separate kromosomer, hvorimod de hos mennesker er smeltet sammen, og en translokation mellem menneskelige forfædres kromosomer producerede to forskellige kromosomer i gorillaer. På individuelt niveau kan fusioner eller translokationer føre til manglende eller ekstra kromosomer eller endda til sygdomme som børneleukæmi.

Mens den konsekvente pålidelighed af kromosomerne er god til at forstå, hvordan tingene fungerer på kort tid, kan evnen til at konstruere ændringer informere genetisk forståelse gennem årtusinder, herunder hvordan man korrigerer forkerte eller misdannede kromosomer, sagde Li. Andre forskere har med succes udviklet kromosomer i gær, men forsøg på at flytte teknikkerne til pattedyr er ikke blevet opfyldt.

Ifølge med-førsteforfatter Wang Libin, forsker med CAS og Beijing Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine, er vanskeligheden, at processen kræver, at man stammer stamceller fra ubefrugtede museembryoner, hvilket betyder, at cellerne kun indeholder ét sæt kromosomer. I diploide celler er der to sæt kromosomer, der justerer og forhandler genetikken i den resulterende organisme. Kaldet genomisk prægning, det er her et dominerende gen kan være markeret aktivt, mens et recessivt gen er markeret som inaktivt. Processen kan manipuleres videnskabeligt, men informationen har ikke sat sig fast i tidligere forsøg i pattedyrsceller.

"Genomisk prægning går ofte tabt, hvilket betyder, at informationen om, hvilke gener der skal være aktive, forsvinder i haploide embryonale stamceller, hvilket begrænser deres pluripotens og genteknologi," sagde Wang. "Vi har for nylig opdaget, at vi ved at slette tre prægede områder kunne etablere et stabilt sædlignende prægningsmønster i cellerne."

Uden de tre naturligt prægede regioner kunne forskernes konstruerede prægningsmønster tage fat, hvilket giver dem mulighed for at fusionere specifikke kromosomer. De testede det ved at fusionere to mellemstore kromosomer - 4 og 5 - hoved til hale og de to største kromosomer - 1 og 2 - i to orienteringer, hvilket resulterede i karyotyper med tre forskellige arrangementer.

"De indledende formationer og stamcelledifferentiering blev minimalt påvirket; karyotyper med fusionerede 1 og 2 kromosomer resulterede dog i standset udvikling," sagde Wang. "Det mindre fusionerede kromosom bestående af kromosom 4 og 5 blev med succes overført til afkom."

Karyotyperne med kromosom 2 fusioneret til toppen af ​​kromosom 1 førte ikke til nogen fuldbårne museunger, mens det modsatte arrangement producerede unger, der voksede til større, mere ængstelige og fysisk langsommere voksne sammenlignet med musene med fusioneret 4 og 5 kromosomer. Kun musene med fusionerede 4 og 5 kromosomer var i stand til at producere afkom med vildtype mus, men med en meget lavere hastighed end standard laboratoriemus.

Forskerne fandt ud af, at den svækkede fertilitet skyldtes en abnormitet i, hvordan kromosomerne adskilte efter justering, sagde Wang. Han forklarede, at dette fund demonstrerede vigtigheden af ​​kromosomomlægning for at etablere reproduktiv isolation, hvilket er et evolutionært nøgletegn på fremkomsten af ​​en ny art.

"Nogle ingeniørmus viste unormal adfærd og postnatal overvækst, mens andre udviste nedsat frugtbarhed, hvilket tyder på, at selvom ændringen af ​​genetisk information var begrænset, kunne fusion af dyrekromosomer have dybtgående virkninger," sagde Li. "Ved at bruge en aftryksfikseret haploid embryonal stamcelleplatform og genredigering i en laboratoriemusemodel, demonstrerede vi eksperimentelt, at den kromosomale omlejringsbegivenhed er drivkraften bag artsudviklingen og vigtig for reproduktiv isolering, hvilket giver en potentiel vej til storstilet konstruktion af DNA hos pattedyr." + Udforsk yderligere

Manipulering af kromosomer i levende celler afslører, at de er flydende