2018年秋季第一次Journal Club

2018年10月20日，生命科学学堂班展开了2018-2019秋季学期Journal Club活动。伴着清华学堂窗外黄叶装点的秋色，学堂班的同学们讨论了Zhongjun Qin团队在Nature杂志上发表的Creating a functional single-chromosome yeast。这篇文章运用同源重组和Cas9等方法敲除酵母染色体上的着丝粒，并将酿酒酵母（S. cerevisiae）的16条染色体构建为一条大的染色体，并研究这种单条染色体对酵母代谢，分裂的影响。

    演讲开始前，颉伟老师首先介绍了现今科学界对影响染色体数目因素的认识，并提出了一些值得探讨的问题。

    自然界中，大多数真核生物的染色体数目都是大于一的，这有可能是功能上进化的结果，因为单个染色体会造成：

（1）复制速度过慢

（2）分裂时难以折叠、缩合

（3）因为空间位阻效应而难以调控

  当然，这也有可能单纯是进化的随机结果，即染色体数目对物种基因的表达调控没有显著的影响。

    众所周知，DNA的转录调控又是是非线性的，DNA上的增强子有时会距离调控的启动子很远，DNA需要形成相应的三维结构来帮助这种调控与互作。前期的研究结果发现，染色体的三维拓扑结构会影响一些基因的转录活性，当一些激活效应发生在原癌基因时，就会导致癌症的发生。

    为了研究染色体的数目对染色体拓扑结构乃至对基因表达水平的影响，这篇文章通过构建单条染色体的酿酒酵母（SY14）试图去研究这一问题。单条染色体酿酒酵母的构建方式如下：

（1）用CRISPR-Cas9技术分别切除两条染色体的端粒

（2）加入一段同时与两条染色体靠近端粒区域同源的DNA

（3）利用细胞同源修复的机制将两条染色体连在一起

（4）用相似的方式去除15条染色体上的着丝粒

    以这样的方式，研究组得到一条只有一个着丝粒和两个端粒，含有整个酵母基因组的染色体。

    为了检测是否成功构建单条染色体，研究组用southern blot的方式验证了单条染色体中含有完整的16条染色体。再通过免疫荧光的方法对端粒结合蛋白Myc-Sir2染色，发现这条染色体确实只有两个端粒。

    为了进一步验证染色体数目对基因表达的影响，课题组又对构建出的酵母品系进行了功能检验。

    首先，课题组对染色体进行了Hi-C检测，检测结果发现，随着着丝粒被敲除，染色体着丝粒间的作用消失，同时，染色体的构象由原来的着丝粒围绕纺锤体聚集变为球形构象。进一步的研究表明，虽然染色体间的作用和染色体内的作用较野生型变化较大，但基因互作的偏好几乎没有变化。

    转录组学的研究也支持这一发现，通过对SY14进行RNA-Seq并与野生型的酿酒酵母比较，研究组发现，大部分的基因表达没有受染色体数量的影响，只有少数与着丝粒和端粒相关的基因表达水平出现了变化。同时研究组发现，由于着丝粒变少，酵母的分裂难度增加，SY14的分裂速度较野生型变慢了一些，但除此以外也没有生存能力的差距。

    综合以上研究，文章得出结论：虽然染色体数目会对部分着丝粒相关的基因表达以及染色体内的基因互作由巨大影响，并且改变染色体的三维拓扑结构，但对大部分基因的正常表达以及酵母的生存影响不大。

    演讲结束后，同学们针对文章中的问题展开了激烈的讨论，讨论集中在如下几个问题上：

（1）文章虽然发现染色体的三维拓扑结构对基因表达没有影响，但没有具体研究改变了的拓扑结构对于基因互作的作用以及这种改变对于基因表达的作用机理。

（2）文章中说到着丝粒和端粒的敲除对于染色体间和染色体内的作用影响颇大，但是没有具体阐述这些敲除是如何作用于基因互作的。

（3）文章虽然展现出染色体数目对基因表达的影响不大，但没有能为自然界真核生物染色体数目大于一这一现象作出解释。同学们对这一问题进行了讨论并提出了自己的猜想。

    总体看来，这篇文章具有极强的创新性，可以说是合成生物学的一个重大进展，通过对这篇文章的解读与分析，同学们对染色体结构以及基因互作有了更深的理解与认识，也对合成生物学这一新兴领域燃起了兴趣。