染色体数目减少对裂殖酵母有丝分裂和减数分裂稳定性的差异化调控机制研究

本研究通过构建人工染色体融合的裂殖酵母模型，系统揭示了染色体数目减少对有丝分裂和减数分裂的差异化影响。研究发现单染色体融合通过依赖纺锤体组装检查点(SAC)机制延长有丝分裂时间，同时提高染色体分离准确性；但在减数分裂中会损害核振荡运动，导致减数分裂I期染色体分离严重缺陷。该研究为理解真核生物染色体数目进化选择提供了重要理论依据。

　　

在真核生物中，遗传信息存储在多个染色体上并通过细胞分裂传递给后代。染色体数目从1条到数千条不等，且在进化过程中可能发生变化，例如人类2号染色体被认为源自两条祖先染色体的融合。然而，染色体数目如何影响细胞分裂特别是染色体分离这一基本问题仍有待阐明。随着合成生物学的发展，对酿酒酵母、裂殖酵母和小鼠染色体的改造已实现将全部染色体融合为单条染色体的突破，这些人工染色体融合生物为研究染色体数目可塑性与染色体分离保真度的关系提供了独特模型。

中国科学技术大学生命科学与医学部的科研团队在《Genome Biology》发表研究，利用含有1-2条人工染色体融合的裂殖酵母模型，系统探究了染色体数目减少对有丝分裂和减数分裂的影响。研究采用的主要技术方法包括：构建不同染色体数目的裂殖酵母工程菌株；通过活细胞显微成像技术追踪有丝分裂和减数分裂进程；利用温度敏感型nda3-KM311菌株研究动粒-微管相互作用；通过蛋白质印迹分析纺锤体检查点蛋白表达水平。

研究结果部分：

"Single-chromosome fission yeast cells exhibit prolonged mitotic progression"：研究发现将三条染色体完全融合为单条染色体(IIIc^△-II-Ic^△)显著延长前中期持续时间(10.8分钟 vs 野生型9.4分钟)，且这种延长依赖于纺锤体组装检查点(SAC)活性。通过Bub1-GFP等标记发现单染色体细胞中SAC蛋白在动粒上的定位显著增强。

"Single-chromosome fission yeast cells show reduced SAC dependence for regulating chromosome segregation"：有趣的是，虽然染色体融合延长了有丝分裂时间，但单染色体细胞在SAC缺失条件下表现出更高的染色体分离准确性。通过nda3-KM311温度敏感株证实，减少所需动粒-微管连接数量可降低染色体分离错误率。

"Single-chromosome fission yeast cells exhibit attenuated nuclear oscillation during meiotic I prophase"：在减数分裂研究中发现，单染色体融合显著减弱了减数分裂I前期特征性的核振荡运动（ horsetail movement），这种运动对促进同源染色体重组和交叉形成至关重要。

"Single-chromosome fission yeast cells exhibit prolonged meiosis I duration and impaired chromosome segregation"：单染色体细胞表现出延长的减数分裂I持续时间(31.1分钟 vs 野生型24.8分钟)和严重的染色体分离缺陷，50%细胞出现后期滞后动粒，4.6%出现同源染色体不等分离。

"Single-chromosome fission yeast cells exhibit shortened meiosis II and defective sporulation"：与减数分裂I相反，单染色体细胞的减数分裂II前中期时间显著缩短(23.7分钟 vs 野生型33.0分钟)，最终导致孢子形成效率显著降低。

该研究揭示了染色体数目对有丝分裂和减数分裂的差异化调控机制：在有丝分裂中，染色体数目减少通过增强SAC活性延长细胞周期但提高分离准确性；而在减数分裂中，单染色体融合会损害关键的核振荡运动，导致减数分裂I同源染色体分离严重缺陷。这些发现不仅为理解真核生物细胞分裂调控提供了新视角，也为解释物种进化过程中染色体数目选择压力提供了重要理论依据。研究提示，虽然有丝分裂对染色体数目变化具有较高耐受性，但减数分裂过程特别是减数分裂I对维持适当染色体数目有严格要求，这可能是真核生物普遍保持多染色体基因组结构的重要原因。