Unendo due cromosomi di medie dimensioni, i ricercatori hanno prodotto il primo cariotipo ingegnerizzato sostenibile per topi di laboratorio. Questo topo porta due cromosomi fusi insieme. Credito:WANG Qiang
I cambiamenti cromosomici evolutivi possono richiedere un milione di anni in natura, ma i ricercatori stanno ora segnalando una nuova tecnica che consente la fusione cromosomica programmabile che ha prodotto con successo topi con cambiamenti genetici che si verificano su scala evolutiva di un milione di anni in laboratorio. Il risultato potrebbe fornire spunti critici su come i riarrangiamenti dei cromosomi - i pacchetti ordinati di geni organizzati, forniti in numero uguale da ciascun genitore, che si allineano e scambiano o fondono i tratti per produrre prole - influenzano l'evoluzione.
Nei risultati pubblicati oggi su Scienza , i ricercatori rivelano che l'ingegneria a livello cromosomico può essere ottenuta nei mammiferi e hanno derivato con successo un topo domestico da laboratorio con un cariotipo nuovo e sostenibile, fornendo informazioni critiche su come i riarrangiamenti cromosomici possono influenzare l'evoluzione.
"Il topo domestico da laboratorio ha mantenuto un cariotipo standard di 40 cromosomi, o il quadro completo dei cromosomi di un organismo, dopo oltre 100 anni di riproduzione artificiale", ha affermato il co-primo autore Li Zhikun, ricercatore presso l'Accademia cinese delle scienze (CAS ) Istituto di Zoologia e Laboratorio Statale di Biologia delle Cellule Staminali e della Riproduzione. "Su scale temporali più lunghe, tuttavia, i cambiamenti del cariotipo causati da riarrangiamenti cromosomici sono comuni. I roditori hanno da 3,2 a 3,5 riarrangiamenti per milione di anni, mentre i primati ne hanno 1,6".
Tali piccoli cambiamenti possono avere un grande impatto, secondo Li. Nei primati, i cambiamenti di 1,6 sono la differenza tra umani e gorilla. I gorilla hanno due cromosomi separati mentre negli esseri umani sono fusi e una traslocazione tra i cromosomi umani degli antenati ha prodotto due cromosomi diversi nei gorilla. A livello individuale, fusioni o traslocazioni possono portare a cromosomi mancanti o extra o addirittura a malattie come la leucemia infantile.
Mentre l'affidabilità costante dei cromosomi è utile per capire come funzionano le cose su una scala di breve durata, la capacità di progettare cambiamenti potrebbe influenzare la comprensione genetica attraverso millenni, incluso come correggere i cromosomi disallineati o malformati, ha detto Li. Altri ricercatori hanno ingegnerizzato con successo cromosomi nel lievito, ma i tentativi di trasferire le tecniche ai mammiferi non sono stati realizzati.
Secondo il co-primo autore Wang Libin, ricercatore presso il CAS e l'Istituto di Pechino per le cellule staminali e la medicina rigenerativa, la difficoltà è che il processo richiede la derivazione di cellule staminali da embrioni di topo non fecondati, il che significa che le cellule contengono solo un set di cromosomi. Nelle cellule diploidi, ci sono due serie di cromosomi che allineano e negoziano la genetica dell'organismo risultante. Chiamato imprinting genomico, è qui che un gene dominante può essere contrassegnato come attivo, mentre un gene recessivo è contrassegnato come inattivo. Il processo può essere manipolato scientificamente, ma l'informazione non è rimasta bloccata nei precedenti tentativi in cellule di mammifero.
"L'imprinting genomico viene spesso perso, il che significa che le informazioni su quali geni dovrebbero essere attivi scompaiono, nelle cellule staminali embrionali aploidi, limitando la loro pluripotenza e l'ingegneria genetica", ha detto Wang. "Recentemente abbiamo scoperto che eliminando tre regioni impresse, potremmo stabilire un modello di imprinting stabile simile a uno spermatozoo nelle cellule".
Senza le tre regioni naturalmente impresse, il modello di imprinting ingegnerizzato dei ricercatori potrebbe prendere piede, consentendo loro di fondere cromosomi specifici. Lo hanno testato fondendo due cromosomi di medie dimensioni - 4 e 5 - dalla testa alla coda e i due cromosomi più grandi - 1 e 2 - in due orientamenti, risultando in cariotipi con tre diverse disposizioni.
"Le formazioni iniziali e la differenziazione delle cellule staminali sono state minimamente influenzate; tuttavia, i cariotipi con cromosomi 1 e 2 fusi hanno provocato l'arresto dello sviluppo", ha detto Wang. "Il cromosoma fuso più piccolo composto dai cromosomi 4 e 5 è stato trasmesso con successo alla prole."
I cariotipi con il cromosoma 2 fusi nella parte superiore del cromosoma 1 non hanno portato a cuccioli di topo a termine, mentre la disposizione opposta ha prodotto cuccioli che sono cresciuti in adulti più grandi, più ansiosi e fisicamente più lenti, rispetto ai topi con 4 fusi e 5 cromosomi. Solo i topi con cromosomi 4 e 5 fusi sono stati in grado di produrre prole con topi wild-type, ma a una velocità molto inferiore rispetto ai topi di laboratorio standard.
I ricercatori hanno scoperto che la fertilità indebolita derivava da un'anomalia nel modo in cui i cromosomi si separavano dopo l'allineamento, ha detto Wang. Ha spiegato che questa scoperta ha dimostrato l'importanza del riarrangiamento cromosomico per stabilire l'isolamento riproduttivo, che è un segno evolutivo chiave dell'emergere di una nuova specie.
"Alcuni topi ingegneri hanno mostrato un comportamento anormale e una crescita eccessiva postnatale, mentre altri hanno mostrato una diminuzione della fecondità, suggerendo che sebbene il cambiamento delle informazioni genetiche fosse limitato, la fusione dei cromosomi animali potrebbe avere effetti profondi", ha detto Li. "Utilizzando una piattaforma di cellule staminali embrionali aploidi fisse e l'editing genetico in un modello murino di laboratorio, abbiamo dimostrato sperimentalmente che l'evento di riarrangiamento cromosomico è la forza trainante dietro l'evoluzione delle specie ed è importante per l'isolamento riproduttivo, fornendo un potenziale percorso per l'ingegneria su larga scala di DNA nei mammiferi". + Esplora ulteriormente
