Evolutionäre chromosomale Veränderungen können in der Natur eine Million Jahre dauern, aber Forscher berichten jetzt über eine neuartige Technik, die eine programmierbare Chromosomenfusion ermöglicht, die erfolgreich Mäuse mit genetischen Veränderungen hervorgebracht hat, die im Labor auf einer millionenjährigen Evolutionsskala auftreten. Das Ergebnis kann entscheidende Einblicke in die Frage liefern, wie Neuanordnungen von Chromosomen – die sauberen Pakete organisierter Gene, die von jedem Elternteil in gleicher Anzahl bereitgestellt werden und die Merkmale ausrichten und austauschen oder mischen, um Nachkommen zu produzieren – die Evolution beeinflussen.
In den heute veröffentlichten Ergebnissen in Wissenschaftzeigen die Forscher, dass Chromosomen-Level-Engineering bei Säugetieren erreicht werden kann, und sie leiteten erfolgreich eine Labor-Hausmaus mit neuartigem und nachhaltigem Karyotyp ab, was einen entscheidenden Einblick liefert, wie chromosomale Umlagerungen die Evolution beeinflussen können.
„Die Laborhausmaus hat nach mehr als 100 Jahren künstlicher Zucht einen Standard-Karyotyp mit 40 Chromosomen – oder das vollständige Bild der Chromosomen eines Organismus – beibehalten“, sagte Co-Erstautor Li Zhikun, Forscher an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS ) Institut für Zoologie und dem Staatlichen Schlüssellabor für Stammzell- und Reproduktionsbiologie. „Über längere Zeiträume hinweg sind Karyotypveränderungen, die durch Chromosomenumlagerungen verursacht werden, jedoch häufig. Nagetiere haben 3,2 bis 3,5 Umlagerungen pro Million Jahre, während Primaten 1,6 haben.“
Laut Li können solche kleinen Änderungen große Auswirkungen haben. Bei Primaten sind die 1,6 Änderungen der Unterschied zwischen Menschen und Gorillas. Gorillas haben zwei getrennte Chromosomen, während sie beim Menschen verschmolzen sind, und eine Translokation zwischen menschlichen Chromosomen der Vorfahren erzeugte bei Gorillas zwei verschiedene Chromosomen. Auf individueller Ebene können Fusionen oder Translokationen zu fehlenden oder zusätzlichen Chromosomen oder sogar zu Krankheiten wie Leukämie im Kindesalter führen.
Während die beständige Zuverlässigkeit der Chromosomen gut ist, um zu verstehen, wie die Dinge in kurzer Zeit funktionieren, könnte die Fähigkeit, Änderungen vorzunehmen, das genetische Verständnis über Jahrtausende hinweg informieren, einschließlich der Frage, wie falsch ausgerichtete oder missgebildete Chromosomen korrigiert werden können, sagte Li. Andere Forscher haben erfolgreich Chromosomen in Hefe manipuliert, aber Versuche, die Techniken auf Säugetiere zu übertragen, wurden nicht erfüllt.
Laut Co-Erstautor Wang Libin, Forscher am CAS und dem Beijing Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine, besteht die Schwierigkeit darin, dass der Prozess die Gewinnung von Stammzellen aus unbefruchteten Mäuseembryos erfordert, was bedeutet, dass die Zellen nur einen Chromosomensatz enthalten. In diploiden Zellen gibt es zwei Chromosomensätze, die die Genetik des resultierenden Organismus ausrichten und aushandeln. Genomische Prägung genannt, hier kann ein dominantes Gen als aktiv markiert werden, während ein rezessives Gen als inaktiv markiert wird. Der Prozess lässt sich wissenschaftlich manipulieren, aber die Information ist bei bisherigen Versuchen nicht in Säugetierzellen hängengeblieben.
„Die genomische Prägung geht häufig verloren, was bedeutet, dass die Information darüber, welche Gene aktiv sein sollten, in haploiden embryonalen Stammzellen verschwindet, was ihre Pluripotenz und Gentechnik einschränkt“, sagte Wang. „Wir haben kürzlich entdeckt, dass wir durch das Löschen von drei geprägten Regionen ein stabiles spermienähnliches Prägungsmuster in den Zellen etablieren konnten.“
Ohne die drei natürlich geprägten Regionen könnte sich das konstruierte Prägungsmuster der Forscher durchsetzen und es ihnen ermöglichen, bestimmte Chromosomen zu fusionieren. Sie testeten es, indem sie zwei mittelgroße Chromosomen – 4 und 5 – Kopf an Schwanz und die beiden größten Chromosomen – 1 und 2 – in zwei Orientierungen fusionierten, was zu Karyotypen mit drei verschiedenen Anordnungen führte.
„Die anfängliche Bildung und Differenzierung der Stammzellen war nur minimal betroffen; Karyotypen mit verschmolzenen Chromosomen 1 und 2 führten jedoch zu einer Hemmung der Entwicklung“, sagte Wang. „Das kleinere fusionierte Chromosom, bestehend aus den Chromosomen 4 und 5, wurde erfolgreich an die Nachkommen weitergegeben.“
Die Karyotypen mit Chromosom 2, das an die Spitze von Chromosom 1 fusioniert war, führten nicht zu voll ausgetragenen Mauswelpen, während die entgegengesetzte Anordnung Welpen hervorbrachte, die im Vergleich zu den Mäusen mit fusioniertem 4 und zu größeren, ängstlicheren und körperlich langsameren Erwachsenen heranwuchsen 5 Chromosomen. Nur die Mäuse mit den verschmolzenen Chromosomen 4 und 5 waren in der Lage, Nachkommen mit Wildtyp-Mäusen zu produzieren, jedoch mit einer viel geringeren Rate als Standard-Labormäuse.
Die Forscher fanden heraus, dass die geschwächte Fruchtbarkeit auf eine Anomalie bei der Trennung der Chromosomen nach der Ausrichtung zurückzuführen sei, sagte Wang. Er erklärte, dass dieser Befund die Bedeutung der chromosomalen Umordnung für die Etablierung einer reproduktiven Isolation zeige, die ein wichtiges evolutionäres Zeichen für die Entstehung einer neuen Art sei.
„Einige technische Mäuse zeigten abnormales Verhalten und postnatales Überwuchern, während andere eine verminderte Fruchtbarkeit aufwiesen, was darauf hindeutet, dass die Verschmelzung von tierischen Chromosomen tiefgreifende Auswirkungen haben könnte, obwohl die Veränderung der genetischen Information begrenzt war“, sagte Li. „Unter Verwendung einer imprint-fixierten haploiden embryonalen Stammzellenplattform und der Genbearbeitung in einem Labormausmodell haben wir experimentell gezeigt, dass das Ereignis der chromosomalen Umlagerung die treibende Kraft hinter der Artenevolution und wichtig für die reproduktive Isolierung ist, was einen potenziellen Weg für eine groß angelegte technische Entwicklung darstellt DNA bei Säugetieren.“
Li-Bin Wang et al, Ein nachhaltiger Maus-Karyotyp, der durch programmierte Chromosomenfusion entsteht, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abm1964. www.science.org/doi/10.1126/science.abm1964
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