Evolutionaire chromosomale veranderingen kunnen in de natuur een miljoen jaar duren, maar onderzoekers rapporteren nu een nieuwe techniek die programmeerbare chromosoomfusie mogelijk maakt die met succes muizen heeft geproduceerd met genetische veranderingen die op een miljoen jaar evolutionaire schaal in het laboratorium plaatsvinden. Het resultaat kan kritische inzichten verschaffen in hoe herschikkingen van chromosomen - de opgeruimde pakketten van georganiseerde genen, in gelijke aantallen geleverd door elke ouder, die eigenschappen op één lijn brengen en verhandelen of vermengen om nakomelingen te produceren - de evolutie beïnvloeden.

In resultaten die vandaag zijn gepubliceerd in Science , onthullen de onderzoekers dat engineering op chromosoomniveau kan worden bereikt bij zoogdieren, en ze hebben met succes een laboratoriumhuismuis afgeleid met een nieuw en duurzaam karyotype, waardoor kritisch inzicht wordt verkregen in hoe chromosomale herschikkingen de evolutie kunnen beïnvloeden.

"De laboratoriumhuismuis heeft een standaard 40-chromosoomkaryotype behouden - of het volledige beeld van de chromosomen van een organisme - na meer dan 100 jaar kunstmatig fokken", zegt co-eerste auteur Li Zhikun, onderzoeker aan de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS ) Instituut voor Zoölogie en het State Key Laboratory of Stem Cell and Reproductive Biology. "Over langere tijdschalen zijn echter karyotypeveranderingen veroorzaakt door chromosoomherschikkingen gebruikelijk. Knaagdieren hebben 3,2 tot 3,5 herschikkingen per miljoen jaar, terwijl primaten 1,6 hebben."

Zulke kleine veranderingen kunnen volgens Li grote gevolgen hebben. Bij primaten zijn de 1,6-veranderingen het verschil tussen mensen en gorilla's. Gorilla's hebben twee afzonderlijke chromosomen, terwijl ze bij mensen zijn gefuseerd, en een translocatie tussen menselijke voorouderchromosomen produceerde twee verschillende chromosomen in gorilla's. Op individueel niveau kunnen fusies of translocaties leiden tot ontbrekende of extra chromosomen of zelfs tot ziekten als kinderleukemie.

Hoewel de consistente betrouwbaarheid van de chromosomen goed is om te begrijpen hoe dingen op een korte tijdschaal werken, zou het vermogen om veranderingen te construeren het genetisch begrip gedurende millennia kunnen informeren, inclusief het corrigeren van verkeerd uitgelijnde of misvormde chromosomen, zei Li. Andere onderzoekers hebben met succes chromosomen in gist gemanipuleerd, maar pogingen om de technieken naar zoogdieren te verplaatsen zijn niet gelukt.

Volgens mede-eerste auteur Wang Libin, onderzoeker bij CAS en het Beijing Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine, is de moeilijkheid dat het proces vereist dat stamcellen worden afgeleid van onbevruchte muizenembryo's, wat betekent dat de cellen slechts één set chromosomen bevatten. In diploïde cellen zijn er twee sets chromosomen die op één lijn liggen en onderhandelen over de genetica van het resulterende organisme. Genomische imprinting genoemd, dit is waar een dominant gen als actief kan worden gemarkeerd, terwijl een recessief gen als inactief wordt gemarkeerd. Het proces kan wetenschappelijk worden gemanipuleerd, maar de informatie is niet blijven hangen in eerdere pogingen in zoogdiercellen.

"Genomische imprinting gaat vaak verloren, wat betekent dat de informatie over welke genen actief zouden moeten zijn, verdwijnt in haploïde embryonale stamcellen, waardoor hun pluripotentie en genetische manipulatie worden beperkt," zei Wang. "We hebben onlangs ontdekt dat we door het verwijderen van drie ingeprinte regio's een stabiel sperma-achtig afdrukpatroon in de cellen konden creëren."

Zonder de drie natuurlijk ingeprinte regio's zou het door de onderzoekers ontworpen afdrukpatroon stand kunnen houden, waardoor ze specifieke chromosomen kunnen fuseren. Ze testten het door twee middelgrote chromosomen - 4 en 5 - kop aan staart en de twee grootste chromosomen - 1 en 2 - in twee oriëntaties te fuseren, wat resulteerde in karyotypen met drie verschillende rangschikkingen.

"De initiële formaties en stamceldifferentiatie werden minimaal beïnvloed, maar karyotypen met gefuseerde 1 en 2 chromosomen resulteerden in een gestopte ontwikkeling," zei Wang. "Het kleinere gefuseerde chromosoom bestaande uit chromosomen 4 en 5 werd met succes doorgegeven aan nakomelingen."

De karyotypen met chromosoom 2 gefuseerd aan de bovenkant van chromosoom 1 leidden niet tot voldragen muizenpups, terwijl de tegenovergestelde opstelling pups produceerde die uitgroeiden tot grotere, angstigere en fysiek langzamere volwassenen, vergeleken met de muizen met gefuseerde 4 en 5 chromosomen. Alleen de muizen met gefuseerde 4 en 5 chromosomen waren in staat om nakomelingen te produceren met wildtype muizen, maar in een veel lager tempo dan standaard laboratoriummuizen.

De onderzoekers ontdekten dat de verzwakte vruchtbaarheid het gevolg was van een afwijking in de manier waarop chromosomen na uitlijning werden gescheiden, zei Wang. Hij legde uit dat deze bevinding het belang aantoonde van chromosomale herschikking voor het tot stand brengen van reproductieve isolatie, wat een belangrijk evolutionair teken is van de opkomst van een nieuwe soort.

"Sommige technische muizen vertoonden abnormaal gedrag en postnatale overgroei, terwijl anderen verminderde vruchtbaarheid vertoonden, wat suggereert dat hoewel de verandering van genetische informatie beperkt was, fusie van dierlijke chromosomen ingrijpende effecten zou kunnen hebben," zei Li. "Met behulp van een imprint vast haploïde embryonale stamcelplatform en genbewerking in een laboratoriummuismodel, hebben we experimenteel aangetoond dat de chromosomale herschikkingsgebeurtenis de drijvende kracht is achter de evolutie van soorten en belangrijk is voor reproductieve isolatie, wat een potentiële route biedt voor grootschalige engineering van DNA bij zoogdieren." + Verder verkennen

Het manipuleren van chromosomen in levende cellen onthult dat ze vloeibaar zijn