左二伟/吴军团队建立可编程染色体替换平台

染色体替换模型（chromosome substitution strains, CSS）是解析复杂性状与染色体功能的重要工具^1,2，但传统方法依赖多代回交，周期漫长且几乎局限于同种系统。更具挑战性的问题是：染色体是否可以跨物种稳定替换，并维持正常细胞与个体功能？

近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所左二伟团队与美国德克萨斯大学西南医学中心吴军团队合作开发了一套新的特异性染色体替换平台（TEAM, Targeted chromosome Elimination And Microcell-mediated chromosome transfer），首次在小鼠中实现了Y染色体的精准替换，并系统比较了小鼠Y染色体与人类Y染色体在小鼠体内的稳定性差异。该项研究成果发表于Protein & Cell，题为：A Programmable Platform Enabling Targeted Chromosome Substitution and Cross-Species Stability Profiling

TEAM平台整合了两项关键技术：首先利用CRISPR/Cas9实现内源Y染色体特异性清除；随后通过微细胞介导染色体转移（MMCT），将供体来源的完整Y染色体导入受体胚胎干细胞。该策略避免了传统CSS对多代育种和重组筛选的依赖，实现了染色体尺度的可编程替换（图1）。

作为概念验证，研究人员首先将一条来自DBA/2品系的小鼠Y染色体替换进C57BL/6背景胚胎干细胞中。替换后的细胞保持正常核型和多能性，并成功通过四倍体补偿发育为健康成年雄鼠。尽管MMCT过程中存在一定DNA损伤和片段缺失，但替换后的鼠Y染色体在体内长期稳定，提示TEAM平台在同种染色体替换中具有良好兼容性与发育安全性。

随后，研究团队将人类胚胎干细胞来源的Y染色体转移至小鼠Y缺失胚胎干细胞中。结果显示，人类Y染色体能够在体外被成功转移并短期维持，且其多个基因在小鼠细胞中可被正常转录。然而，与小鼠Y染色体形成鲜明对比的是，人类Y染色体在细胞传代过程中快速丢失，在体内则表现为明显的组织嵌合性、结构重排与进行性损伤。

为解析人类Y染色体在小鼠中的失稳机制，研究团队系统分析了其着丝粒结构与蛋白组装状态。结果发现，人类Y染色体在小鼠细胞中表现出显著降低的CENP-A加载水平，部分染色体甚至完全缺失CENP-A信号，并伴随频繁的分离错误、微核形成与染色体重排。相比之下，内源小鼠Y染色体维持稳定的着丝粒结构和分离行为。这一现象提示着丝粒不兼容性是跨物种染色体替换的核心限制因素。

该研究建立了TEAM这一可扩展的染色体替换平台，实现了首次跨物种整条染色体替换实验，并系统揭示了人类Y染色体在小鼠体内失稳的分子机制。结果表明，染色体工程的关键挑战不只是“是否能够转移”，而在于“是否能够被宿主细胞系统稳定识别与维持”。着丝粒兼容性由此成为跨物种染色体工程、人工染色体设计与合成基因组研究中不可回避的核心生物学约束。

中国农业科学院深圳农业基因组所左二伟研究员和美国德克萨斯大学西南医学中心吴军教授为论文共同通讯作者，中国农业科学院深圳农业基因组所石磊博士后、杨霞丽博士、吴明第博士、赵成业硕士为论文共同第一作者。