호기심 많은 눈, 털복숭이 주둥이, 무성한 가죽으로 별명이 Xiao Zhu 또는 Little Bamboo인 이 쥐는 대나무 줄기에 재빠르게 앉아 카메라를 위한 예쁜 포즈를 취합니다. 그러나 이 쥐는 자연에 존재하지 않습니다.
베이징의 한 연구실에서 만들어진 Xiao Zhu는 유전 공학과 합성 생물학의 한계를 뛰어 넘었습니다. 일반적인 20쌍의 염색체를 보유하는 대신 마우스와 그 형제 집단은 19쌍만 가지고 있습니다. 대담한 실험에서 서로 다른 두 개의 염색체 덩어리가 인공적으로 융합되었습니다. 개별 DNA 문자나 여러 유전자를 수정하는 대신 기존 게놈 플레이북을 도매로 다시 조정하여 방대한 유전 물질 블록을 동시에 뒤섞을 수 있습니까?
문샷 아이디어입니다. 게놈이 책이라면 유전자 편집은 복사 편집과 같습니다. 여기 저기에서 오타를 변경하거나 신중하게 배치된 조정으로 여러 문법 오류를 수정합니다.
염색체 수준 엔지니어링은 완전히 다른 짐승입니다. 여러 단락을 재배열하거나 기사의 전체 섹션을 이동하는 것과 동시에 변경 사항이 다음 세대에 전달될 수 있는 기능을 추가하기를 바라는 것과 같습니다.
인생을 다시 프로그래밍하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. Xiao Zhu의 DNA 구성은 오랜 진화의 압력에 의해 이미 최적화된 유전자 문자로 만들어졌습니다. 확립된 게놈 책을 만지작거리는 것이 종종 생존할 수 없는 삶을 초래한다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 지금까지 효모만이 염색체의 재지거에서 살아남았습니다.
XNUMXD덴탈의 새로운 연구, 안으로 간행하는 과학, 마우스를 위한 기술을 가능하게 했습니다. 연구팀은 생쥐 염색체의 덩어리를 인공적으로 융합했다. XNUMX번 염색체와 XNUMX번 염색체로 만든 융합된 한 쌍은 배아가 건강한(다소 이상하게 행동하더라도) 생쥐로 발달하는 데 도움이 될 수 있었습니다. 놀랍게도, 정상적인 유전학으로의 이러한 구조적 이동에도 불구하고, 쥐는 XNUMX세대 자손에게 유전자 조작된 특성을 번식하고 전달할 수 있습니다.
"세계 최초로 포유류에서 완전한 염색체 재배열을 달성하여 합성생물학의 새로운 돌파구를 마련했습니다." 말했다 중국과학원의 연구 저자 Dr. Wei Li.
어떤 면에서 이 기술은 엄청난 속도로 진화를 모방합니다. 돌연변이율에 대한 기존 데이터를 기반으로 여기에 도입된 유전자 교환 유형은 일반적으로 자연적으로 달성되는 데 수백만 년이 걸릴 것입니다.
연구는 완벽하지 않습니다. 조작된 쥐의 일부 유전자는 비정상적으로 조정되어 정신분열증과 자폐증에서 흔히 볼 수 있는 패턴과 유사합니다. 그리고 생쥐가 성체로 성장하여 건강한 새끼를 낳을 수 있었지만 출생률은 엔지니어링되지 않은 동료보다 훨씬 낮았습니다.
그럼에도 불구하고, 연구는 완전히 강제적이며, 말했다 연구에 참여하지 않은 시애틀의 프레드 허친슨 암 센터(Fred Hutchinson Cancer Center)의 진화 생물학자인 Harmit Malik 박사. 우리는 이제 더 큰 규모의 게놈 변화에 관한 미해결 문제를 해결하고 잠재적으로 염색체 질환에 빛을 비출 수 있는 이 "아름다운 툴킷"을 갖게 되었습니다.
잠깐, 염색체는 또 무엇인가?
이 작업은 새로운 종을 만들기 위한 진화론의 오랜 유전적 플레이북을 활용합니다.
백업합시다. 우리의 유전자는 DNA 이중 나선 사슬로 암호화되어 있으며, 이는 세포 내부에 떠 있는 리본과 비슷합니다. 공간 효율적이지 않습니다. 자연의 해결책은 모짜렐라 스틱 위에 빙빙 도는 프로슈토 조각처럼 단백질 스풀 주위에 각 사슬을 감싸는 것입니다. 추가 꼬임은 이러한 구조를 작은 퍽(끈에 있는 그림 구슬)으로 묶은 다음 염색체로 감쌉니다. 현미경으로 보면 대부분 문자 X처럼 보입니다.
각 종에는 정해진 수의 염색체가 있습니다. 정자와 난자를 제외한 인간 세포에는 모두 46쌍으로 배열된 23개의 개별 염색체가 있으며 각 부모로부터 유전됩니다. 대조적으로 실험용 쥐는 20쌍만 가지고 있습니다. 완전한 염색체 세트를 핵형이라고 하며 그리스어 "핵" 또는 "씨"에서 파생되었습니다.
염색체를 혼합하고 일치시키는 것은 오랫동안 진화의 일부였습니다. 현재 추정에 따르면 설치류는 일반적으로 백만년마다 대략 3.5개의 염색체 재배열을 축적합니다. 일부 세그먼트는 삭제되고 다른 세그먼트는 복제되거나 섞입니다. 영장류의 경우 변화율은 절반 정도입니다. 염색체 덩어리 주위를 이동하는 것은 모든 동물에게 과감하게 보일 수 있지만, 실행 가능하다면 변화는 완전히 다른 종을 진화시키는 길을 열어줍니다. 예를 들어, 우리의 XNUMX번 염색체는 두 개의 분리된 염색체에서 융합되었지만, 우리의 가까운 진화적 사촌인 고릴라에는 이러한 변형이 존재하지 않습니다.
새로운 연구는 진화보다 더 나은 것을 목표로 하고 있습니다. 유전 공학을 사용하여 수백만 년의 진화를 단 몇 개월로 압축할 수 있습니까? 이것은 단지 과학적 호기심을 위한 것이 아닙니다. 염색체 질환은 소아 백혈병과 같은 우리의 가장 어려운 의학적 수수께끼의 기초가 됩니다. 과학자들은 이전에 방사선을 사용하여 염색체 재배열을 촉발했지만 결과를 쉽게 제어할 수 없어 동물이 새로운 자손을 낳는 것이 불가능했습니다. 여기에서 합성 생물학자들은 보다 표적화된 접근 방식을 취했습니다.
첫 번째 단계는 염색체가 조직의 큰 변화에 저항하는 이유를 알아내는 것입니다. 밝혀진 바와 같이, 염색체 덩어리를 스와핑(또는 융합)하는 주요 문제는 각인(imprinting)이라고 하는 생물학적 기이함입니다.
우리는 유사한 유전자를 포함하는 각 세트와 함께 두 부모로부터 염색체를 받습니다. 그러나 한 세트만 켜져 있습니다. 각인 과정이 어떻게 작동하는지 아직 미스터리로 남아 있지만, 그것이 여러 유형의 성숙한 세포로 발달하는 배아 세포의 능력을 무릎꿇게 하고 유전 공학에 대한 잠재력을 제한한다는 것을 알고 있습니다.
위로 2018에서, 같은 팀은 XNUMX개의 유전자를 삭제하는 것이 줄기 세포의 각인 생화학적 프로그램을 무시할 수 있다는 것을 발견했습니다. 여기에서 그들은 이 "잠금 해제된" 줄기 세포를 사용하여 두 개의 염색체 쌍을 유전적으로 패치했습니다.
그들은 먼저 마우스 게놈에서 가장 큰 XNUMX번 염색체 XNUMX번과 XNUMX번을 주목했습니다. 연구팀은 CRISPR을 사용하여 염색체를 절단하여 유전 덩어리를 교환하고 안정적인 유전 구조로 재형성할 수 있도록 했습니다. 그런 다음 염색체 변화를 갖고 있는 세포를 난모세포(난자 세포)에 주입했습니다. 생성된 배아를 대리 암컷 마우스에 이식하여 더 성숙시켰다.
교환은 치명적이었습니다. 2번 염색체 뒤에 1번 염색체 또는 12+1번 염색체가 있는 인공 염색체는 수정된 지 불과 2일 만에 발달 중인 태아를 죽였습니다. 반대 방향인 19+XNUMX로 융합된 동일한 두 개의 염색체가 더 나은 운을 띠며 XNUMX개의 염색체 쌍을 가진 살아있는 새끼를 낳았습니다. 아기 쥐는 크기에 비해 비정상적으로 컸고 여러 테스트에서 정상적인 동료보다 더 불안해 보였습니다.
두 번째 염색체 융합 실험은 더 나은 결과를 얻었습니다. 4번 염색체와 5번 염색체는 크기가 훨씬 작으며 생성된 배아(4+5라고 함)는 건강한 쥐 새끼로 발달합니다. 염색체 쌍도 부족하지만 놀라울 정도로 정상인 것처럼 보였습니다. 불안하지 않고 평균 체중을 가졌으며 성숙했을 때 염색체 쌍이 없는 새끼를 낳았습니다.
다시 말해, 팀은 세대를 거쳐 유전될 수 있는 포유류 종의 새로운 핵형을 조작했습니다.
완전히 새로운 합성 생물학 세계?
Malik에게 있어 모든 것은 규모입니다. 각인 문제를 극복함으로써 “유전공학에 따르면 세상은 굴이다” 말했다 에 과학자.
팀의 다음 목표는 돌연변이 종을 설계하는 것보다 기술을 사용하여 어려운 염색체 질병을 해결하는 것입니다. 인공 진화는 거의 모퉁이에 있습니다. 그러나 이 연구는 포유류 게놈의 놀라운 적응성을 보여줍니다.
"합성 생물학의 목표 중 하나는 설계된 DNA 서열로 복잡한 다세포 생물을 생성하는 것입니다."라고 저자는 썼습니다. "염색체 수준을 포함하여 대규모로 DNA를 조작할 수 있다는 것은 이 목표를 향한 중요한 단계입니다."
이미지 크레디트: 중국 과학 아카데미
