[染色体]中国科学家实现染色体“16合1”

ag8编辑 ag8娱乐 2019-08-07

  覃重军:酿酒酵母是一种模式生物,已经被研究得很透彻。酵母分单倍体和双倍体,正常单倍体是有16条染色体,双倍体是有16对。我们做的是单倍体,因为双倍体32条,工作量至少翻倍。

  覃重军:我们是一点点做的,从16条慢慢合成一条,在比较顺利的情况下用了差不多快两年时间。

  覃重军:酿酒酵母可以作为模型,打开一个窗口。因为酿酒酵母可以改得天翻地覆,比如人的很多染色体的疾病,都可以在酿酒酵母上模拟,看它如何恢复正常,然后在高等生物上测试。

  新京报:那你觉得你们的成果在国际上能领先多久?

  覃重军:不会这么巧,这个不用担心。酿酒酵母本来就可以吃,自身没有任何有害物质。我们合成的酵母菌,只是把遗传信息重新编排,删掉重复的信息,没有加外源的东西,不需要再评估,所以继续可以吃。

  覃重军:没有拿掉,而且沉默的基因被激活了。酿酒酵母有个特点,靠近染色体最末端的一到两个基因是不表达的,通俗来讲,像死火山一样,是沉默的。但是,我们把它们夹到中间了,有的就“活”过来了,大概有7个基因重新表达了。

  新京报:这些基因重组是纯“手工”操作吗?

  新京报:为什么选择酿酒酵母作为研究对象?

  覃重军:补了快一年的实验。有评委说,人造单染色体和天然要全面竞争表现怎么样?比如减速分裂、竞争生长。给我的体会就是,这个结论太重大了。我也担心一直做实验拖了时间,被人先发。

  覃重军:主要是基因组的重复序列,有19个,我认为它们造成结构不稳定,全部删掉了。拉着染色体跑的那个东西叫着丝点,有16个,删掉15个。

  合成的酿酒酵母可用于工业发酵

  人类能否创造生命?2010年,美国科学家创造了世界上首个“人造生命”——含有全人工化学合成的与天然染色体序列几乎相同的原核生物支原体,引起轰动。

  新京报:有多少研究所问你们要材料?

  对话

  覃重军:我是2016年10月构建成功的。投稿以后,有的评委觉得颠覆的东西太多了,必须给出严格证明。有几个评委死也不相信,建议我做一堆实验,几乎要我们的命。

  覃重军:人类遗传疾病研究是我下一步要做的,下一个目标是做对治疗人类染色体的疾病有帮助的实验。

  覃重军说,他大胆设想真核生物也能像原核生物一样,用一条线型染色体装载所有遗传物质并完成正常的细胞功能,通过人工创建酿酒酵母,验证了这个假设是可行的。这说明,天然复杂的生命体系可以通过人工干预变简约,自然生命的界限可以被人为打破,甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命。

  不过我们不是化学合成,我们在细胞内操作。有一种操作是在细胞外合成,然后导进去。我们采取细胞内操作,用一把“手术刀”,可以把重复的基因切掉,然后再合成。

  此次,中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室研究员覃重军研究团队完成了将单细胞真核生物酿酒酵母天然的16条染色体人工创建为具有完整功能的单条染色体。

  新京报:人有23对染色体,增加减少都会得病,整合酵母染色体对研究人类遗传病有什么启发?

  覃重军:我们实际上领先不了多久,因为别人要材料我们不可能不给,而外国科学家的效率很高。我的这个成果,前期创意是我认为最难的地方。所以,我觉得技术领先不是最重要的,中国要想领先,要在原创的思想上用最大的功夫。(记者 李玉坤 王俊)

  新京报:染色体中是有一些沉默基因的,这些不表达的基因也全部拿掉吗?

  新京报:你们合成的酿酒酵母可以应用到工业中吗?

  将16条染色体人工创建为单条染色体

  新京报:可以说我们创造了“人造生命”吗?

  新京报:这条超级染色体有多长?

  覃重军:我觉得多细胞生物有点难操作,但也不是不可能。因为多细胞生物,包括高等生物,都能进行遗传操作。比如水稻、小鼠,都可以“敲掉”基因、融合染色体,只是没有像酿酒酵母这么高效。我们的文章发表后,肯定会有人去做多细胞生物实验。

  新京报:对于人类遗传疾病,你下一步要进行哪些研究?

  中国科学家在国际上首次人工创建了单条染色体的真核细胞,这一成果昨日在国际知名学术期刊《自然》在线发表。记者从中科院了解到,这一成果完全由中国科学家独立完成,是合成生物学具有里程碑意义的重大突破。

  覃重军:酵母基因组大概6500个基因,我们把有效信息都整合到一条超级大的染色体上。这条超级染色体接近原来最大一条长度的10倍。

  复杂生命体可人工干预变简约

  覃重军:国内国外已经很多实验室问我要了材料,几乎做酿酒酵母的都会问我要。

  新京报:既然合成了单细胞真核生物,那么多细胞生物可以合成吗?

  覃重军(左一)团队及学生在中科院分子植物卓越中心/植生生态所合成生物学重点实验室内(7月31日摄)。新华社记者 丁汀 摄

  覃重军:颠覆太多,很多评委不相信

  新京报:那7个重新表达的基因,会不会产生有害物质?

  覃重军:我们人工创造了一个活细胞,功能正常,可以说是“人造新生命”,毕竟之前从来没有造出来过。

  覃重军:原来有16条染色体,每条上面都有着丝粒,每次分裂时纺锤体就拉着往回跑。现在16条染色体变成了一个超级染色体,我们想会不会拉断啊?生物比我们想象得更厉害,拉那么巨大的染色体也不怕,这个有点颠覆人的想象。所以我想也许它当时没挑够,本来可以挑100斤,但它只挑了10斤,所以这会儿让它挑100斤还是能挑得动的。

  “论文发表了以后,我特别高兴,因为证据强大,是个完美的故事。”他说。

  在生物学教科书中,将自然界存在的生命体分为具有被核膜包裹染色体细胞核的真核生物和染色体裸露无核膜包裹的原核生物。染色体携带了生命体生长与繁殖的遗传信息,真核生物通常含有线型结构的多条染色体,而原核生物通常只有环型结构的一条染色体。

  美国科学家之前是合成过人造支原体,那是原核生物,结构简单。酿酒酵母属于真核生物,相比于原核生物,酿酒酵母跟人类关系更近。

  昨日,新京报记者对话了该项目团队负责人覃重军,他回顾了一些实验细节。在向《自然》投稿之后,因为太具颠覆性,很多评委怎么也不相信,让他们补充了大量实验。

  新京报:16条染色体中剔除掉哪些信息?

  新京报:你是什么时候实验成功的?

  覃重军:我们合成的酵母已经应用到工业当中了。有一个瑞典的科学家,去年问我们要了材料。他拿到以后,进行工业发酵。前不久给我们写邮件,说是稳定的,可以用于工业发酵。

  合成16条染色体耗时近两年

  论文发表了以后,我特别高兴,因为证据强大。

  投稿后有几个评委“死也不相信”

  新京报:16条染色体变成一条以后,表达有没有紊乱?

  据介绍,酿酒酵母是研究染色体异常的重要模型,酿酒酵母中有1/3基因与具有23对染色体的人类基因同源。覃重军的成果为研究人类细胞衰老提供了很好的模型。覃重军表示,这也是他未来的研究方向。

  新京报:补充实验做了多久?

  Q1a3a(波利尼西亚):2002年Hurles et al.和2006年Ghiani et al.论文显示,Q1a3a存在于波利尼西亚群岛。在西班牙人最初来到秘鲁(当时印第安人在这里建立了强大的印加帝国)时,当地人曾告诉西班牙人有关西方遥远岛屿的许多情况,他们去过这些岛屿,并且是乘着用轻木做的木筏去的,因此印第安人不仅去了波利尼西亚人,还有人返回美洲。结合南太平洋洋流方向推测迁徙图。

  Q1a2b1-L527: 分布于英国、北欧。

  Q1a1(东亚): 进入了中国境内,并随着华夏-汉族的扩张而在东亚大陆扩张。根据论坛网友使用软件计算得到Q1a1单倍群年龄只有约3850年左右。推测其或诞生于中东一带,其后时间不是很长后,该家族整族迁徙到了中国境内。而按照考古与历史记载,姬周迁徙到黄河上游一带约在3200年前左右。由于Q1a1单倍群从Q1a*诞生后时间不是很长就进行了整个家族迁徙,因此Q1a1似乎并没有在中东地区留下后裔,当然也可能存在测试没有细化而未发现情况。

  格林兰岛发现的一个冰人木乃伊,DNA测试结果,Y为Q, mtDNA为X。

  Q1a3b 其中Q1a3b只在也门犹太人中发现。

  Q1a2: 主要分布在伊朗、黎巴嫩、土耳其,在印度和中国新疆、陕西(或山西?)以及匈牙利等东欧等地也有发现。

  Q1a1b-M25: 西亚:伊朗、黎巴嫩、土耳其等,中亚:土库曼、乌兹别克、塔吉克,南亚:巴基斯坦、印度,中国:新疆维族、山西,欧洲:匈牙利、意大利、爱尔兰、立陶宛、俄罗斯等。

  Q1a* 在俄罗斯靠近白令海峡的远东共和国Kamchatka Krai的土著Koryaks人有发现有10.3%的频率分布。在爱斯基摩人中发现Q1a*下的两个新单倍群:Q-P89和Q-NWT01。文章作者声称其类型与Q1a1比较近。因此推测走北线-白令海峡-北美的路线的应该是Q1a*,他们在迁徙途中混合了C3*,达到北美后C3*诞生出C3b。后来南下时受到南方Q1a3a*系的阻挡,后来一些Q1a3a1a和R1b1a2也混入了爱斯基摩人中。

  Q1a1a1-M120,Y515: 东亚汉族、纳西族、白族及受汉族影响地区如越南、朝鲜等。

  地中海中间的几个岛屿上的Q分布极象是Q系海航在停靠点留下的后裔。说明Q系其时已经有能力进行远洋航行,并建立了固定路线和航行基地。

  关于Y-Q起源,现在有三种说法:中亚说,印度次大陆说,西北利亚说。推测的Q系迁徙路线支持中亚说,或者印度次大陆说。根据一篇论文所说阿尔泰人群是形成时期很年轻的人群,加上西北利亚地区Q单倍群多样性低,因此西北利亚起源基本没有可能。

  Q1a3(东方) Q1a3系分布范围非常广泛,几乎有Q的地方就有Q1a3,其在美洲、南亚、西亚、欧洲都有分布,即Q1a3系与整个Q群一样呈现全球分布特征。在印度河谷和阿拉伯半岛国家地区都有相对较高密度分布的广泛Q1a3系。

  Q1a1a1-M120: 东亚,中亚,少量也发现于伊朗、巴基斯坦等西南亚,中东地区分布情况未明,早期研究表明中东地区存在分布。

  Q1a2a1c-L330: 中亚、蒙古、西伯利亚、东欧。

  Y-Q系是远古时代唯一一个在全球范围内进行过扩张迁徙的单倍群,几乎走到过地球上的每个角落。除美洲的印第安人在500年前欧洲人进入之前因缺少其他人种竞争,并随着欧洲殖民者到来,同时带来了天花等多种传染病,而使90%左右印第安人死于瘟疫几乎绝种外,欧亚非大陆上的迁徙的Q人群最后都融入到了各地的土著当中。

  这也证明了至少有三批次移民迁徙到美洲,也为中南美印第安人与东亚人在体质相貌上更为接近,以及北美印第安人混血程度较深,提供了分子人类学证据。

  Q1a2b-L940: 主要发现于阿富汗。

  Q1a3 (西方)在欧洲方向如英国等有少量Q1a3分布,冰岛的Q大部分都是Q1a3a。

  Y-Q系各支系全球分布特征与人类古文明迁徙传播具有极完美的吻合性,二者彼此相互支持。其他任何一个Y支系都不具备这样的分布特征。

  13、Y-Q单倍群

  Q1a2a1c1-L329: 英国、法国,应与苏美尔文明向西迁徙有关,英法巨石阵或与他们有关。

  人类Y染色体5

  Q1a2a-L53: 新发现于斯里兰卡泰米尔人,进一步支持我关于哈拉巴-殷商支系走南线迁徙。

  Q1a1(中东,印第安):Q1a1分布在从中东到亚洲的区域。美洲地区也存在Q1a1。判断,中美洲的Q1a1似乎并非从亚洲迁徙过去,而是从中东出发,经地中海,顺北大西洋暖流顺利抵达中美洲,并发展出玛雅文化。玛雅人在后来可能受到阿兹特克人攻击后而难逃,玛雅文化衰落。

  Q1a*-L472,MEH2: 在堪察加、阿拉斯加等白令海峡周边有一些未分类的Q1a*分布,或与中东古华夏文明早期全球探险迁徙、以及亚洲到美洲交通线开通遗留有关。

  Q1a2a1a2-L804,L805: 英国、北欧、中亚、美洲等,应与苏美尔文明向西部方向迁徙扩散有关,或者Q从美洲向欧洲方向迁徙扩散。

  Q1a2*-L474: 南亚和西亚:巴基斯坦、沙特、阿联酋、印度、西藏、印尼巴厘岛,以及欧洲少量分布,应与伊朗埃兰文明、印度河谷哈拉巴文明或苏美尔文明扩张有关。

  Q*: 存在于印度、巴基斯坦、阿富汗普什图人。Q当起源于P集团从印巴向中亚迁徙过程中。

  推测也有Q1a3从欧洲方向经过冰岛、格陵兰岛进入北美地区,主要证据是北美东北部地区土著中的大量的mt-X系分布。而mt-X主要分布在中东、地中海周边和欧洲方向。东亚和北亚基本没有mt-X分布。下图是wiki上的母系mt-X分布频率图

  Q1b Q1b融入到了白种人中,主要分布在欧洲,在中国新疆、南亚、北非也有一些分布。

  Q1b-L275: 广泛分布于欧洲、南亚、西亚、中亚、新疆维族以及北非等地。

  Q1a1a*-F746: 北美纳-得内语系人群。

  Q1a2a1a1-M3: 美洲印第安人,应与早期苏美尔-哈拉巴-殷商文明迁徙有关。另外墨西哥人中发现有Q1a2a1*-L54和Q1a2a1b*-M971,彻底终结所谓美洲印第安人与殷商不可能存在关系的机械论。

  Q1*: 目前主要发现于伊朗。是中亚黄种人支系向伊朗和两河流域迁徙途中分子证据。也与国外人推测苏美尔人可能来源于伊朗山地森林地带吻合。

  Q1a1a1-M120(xY515): 中南美洲,可能与玛雅人有关。以前美洲的M120总是藏在云雾中,而最近美洲的M120支系已经得到确定。以前也有人提出玛雅文明和汉人文明应该有共同的文明源头,分子人类学最新数据给出了最强力的证据支撑。

  但是,这反过来最终可以看作是形成全新物种的标志。并没有什么可以天长地久,连你的Y染色体都不例外,不论怎样,现在的我们大可不必过于忧虑,说不定到时候会想出更简单的方法。

  科学的眼光观世界 富有的思维察明理

  Y染色体或许是男性阳刚之气的象征,在父系氏族中有着至高无上的地位。可大自然在赐予男性Y染色体的同时,也在宣判着男性的悲惨命运。由于其天生的与众不同,科学家预估大约还有460万年Y染色体将永久灭绝,取而代之的将是一个全新的物种…

  那Y染色体的存在还有什么意义呢?根据2005年X染色体基因草图显示,Y染色体上有用的基因已大部分转移到X染色体上。实际上最有用的基因只剩下SRY基因(决定性别)。堪称“废品”…

  若把时钟倒回到一亿六千六百万年前,那时哺乳动物的早期“原-Y”染色体与X染色体大小相差无几,并且含有所有相同的基因。然而,Y染色体有一个根本的缺陷,那就是无法像其他染色体一样彼此成对配对,这意味着Y染色体根本不能进行基因重组来对基因突变进行修复。

  460万年似乎是个很久远的时间,但当你想到地球上生命已有35亿年的历史时,一定会变得紧张起来。在数百万年的演化过程中,与X及常染色体相比,Y染色体的个头要小许多。人如果没有了X或任何一对常染色体,在胚胎期就会死亡,而若缺失了Y染色体却对个体存活没有什么影响。也就是说,Y染色体是包括人类在内的哺乳动物唯一不必要的染色体。

  如果从长远的角度来看,Y染色体的灭绝是命中注定的,现在只是一个时间问题。但从日本刺鼠和鼹鼠已经完全失去Y染色体的事实来看,未来人类Y染色体上唯一至关重要的SRY基因或许会转移到X染色体上,到时候Y染色体将成为真正的淘汰品,并不会造成绝种。

  更重要的是,Y染色体是男性独有的染色体。随着时间的流逝,Y染色体上的基因也在加速永久性地消失中,根据最新的染色体测序结果,人类Y染色体上的基因已不足80个(最多时拥有1438个),而X染色体的基因数量则变化不大。

  不过,最近在PLoS Genetics上发表的一项研究对来自62个不同男性的Y染色体部分进行了测序,发现它容易发生大规模的结构重排,使得“基因扩增” ,获得促进健康的多个基因拷贝。此外,研究还表明Y染色体为了防止自身进一步退化,已经发展出了“回文”(palindromes)结构。这一现象应该在一定程度上延缓了Y染色体消失的速度。

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