藻类基因组在动物细胞中安家
日本研究人员培育出杂交细胞，使完整的藻类基因组保留在哺乳动物细胞内，让一项雄心勃勃的设想更进一步：赋予动物细胞一些植物所具备的有用能力。根据一份大学公告，这些细胞持续分裂了150多代，但无法进行光合作用。
目录
这项研究于2026年11月12日发表在《自然·通讯》上，将一种名为Cyanidioschyzon merolae的小型红藻与中国仓鼠和人类细胞结合。在基因组最完整的仓鼠杂交细胞中，测序检测到覆盖藻类基因组100%的遗传物质。不过，转入的藻类基因中有95%以上处于沉默状态。
研究团队成员来自东京大学、东京科学大学和近畿大学。发表于《自然·通讯》的研究题为《表观遗传把关使真核细胞实现基因组规模的水平基因转移》，介绍了动物细胞如何通过对大量外源DNA进行化学标记并抑制其活性，来容纳这些遗传物质。
这一发现将研究人员接下来必须共同应对的两项挑战联系起来：动物细胞需要在反复分裂过程中保留导入的遗传指令；如果要让这些基因发挥作用，还需要激活其中选定的指令。
研究团队将这些杂交细胞称为“植物动物细胞”（planimal cells），这个词由植物（plant）和动物（animal）组合而成。东京大学教授松永幸大于2018年提出了这一概念。潜在应用包括借助光照生产氧气、药物或食品原料。目前取得的成果是实现了稳定的遗传组合：负责光合作用的结构——藻类叶绿体在融合过程中解体了。
为何选择这种微型藻类
Cyanidioschyzon merolae也称为schyzon，最初发现于意大利的酸性温泉。它没有细胞壁，因此适合用于需要细胞膜融合的实验。
对于一种能够进行光合作用的生物而言，schyzon的基因组格外紧凑。其核DNA约含1650万个碱基对，也就是编码遗传信息的成对化学字母。论文中用于比较的哺乳动物基因组约含24亿个碱基对，是其约145倍。
研究人员使用了中国仓鼠卵巢细胞，具体为CHO-K1细胞系，以及人类HT-1080细胞。CHO细胞已用于药物生产。HT-1080则是一种实验室细胞系，源自人类结缔组织癌症。
这两种宿主细胞让团队得以考察不同哺乳动物细胞如何处理相同的外源遗传物质。与人类细胞相比，仓鼠细胞保留了更多藻类基因组片段。
团队如何让两种细胞结合
研究人员使用聚乙二醇这种有助于细胞膜融合的化学物质。实验中的哺乳动物细胞直径约为50微米，而schyzon约为5微米。因此，单个哺乳动物细胞可以与两个或更多藻类细胞融合。
藻类携带经过改造的遗传标记。其中一些会产生荧光信号，帮助团队追踪活细胞内的DNA；另一些则赋予细胞对抗生素杀稻瘟菌素的抗性，帮助研究人员识别并培养获得标记藻类DNA的哺乳动物细胞群。
融合后仅6小时，哺乳动物细胞的细胞质——细胞核周围的空间——中就出现了荧光信号。约24小时后，研究人员检测到表明转入的报告基因在哺乳动物细胞核内发挥活性的信号。
观察结果呈现出一段简短的时间线：
- 2018年：松永提出植物动物细胞概念。
- 实验融合后6小时：检查的19个细胞中，全部检测到细胞质内的荧光信号。
- 融合后24小时：检查的21个细胞中，有13个检测到细胞核内的报告信号。
- 融合后48小时：该阶段检查的19个细胞均显示明显的细胞核内报告信号。
- 2026年11月12日：研究论文和机构公告发布。
细胞融合远比吞入藻类有效
团队还测试了哺乳动物细胞能否通过吞入完整藻类来获得藻类DNA，这一过程称为吞噬作用。简单来说，就是受体细胞将外部物质吞入细胞内。
两种方法都产生了对杀稻瘟菌素有抗性的细胞群，但产量差异很大。每1200万个细胞中，吞噬作用平均产生3.7个抗性细胞群，而细胞融合产生3098.7个。按此计算，细胞融合产生的抗性细胞群约为吞噬作用的837倍。
因此，研究人员在后续详细实验中采用了细胞融合。吞噬作用的实验结果仍具有科学价值，因为它为研究来自被其他细胞吞入的生物体的DNA如何被受体细胞继承，提供了一种实验室方法。
DNA向细胞核移动也很重要。研究人员抑制了动力蛋白——一种沿细胞内轨道运输物质的运动蛋白——后，荧光物质在48小时内仍留在细胞质中，细胞核内也没有出现报告信号。这些发现表明，受体细胞的运输机制有助于将外源DNA送往细胞核。
有多少藻类DNA得以保留？
研究人员建立了18个源自仓鼠细胞的稳定细胞系，以及13个源自人类细胞的稳定细胞系。细胞系是指一群源自某些细胞、可在实验室中持续维持和研究的细胞。人类细胞系通过融合获得；仓鼠细胞系则来自细胞融合和吞噬作用两类实验。
第20代的基因组测序显示，不同方法和宿主之间存在显著差异。通过吞噬作用获得的仓鼠细胞系保留了最多48.9%的藻类基因组，平均为30.2%。通过细胞融合获得的仓鼠细胞系保留了最多100%，平均为55.8%。
通过细胞融合获得的人类细胞系保留了最多66%的藻类基因组，平均为14.9%。因此，完整基因组的结果来自一个特定的仓鼠细胞系，名为CHO-Cm7。
对CHO-Cm7的详细重建共获得1630万个碱基对的藻类序列，占参考基因组的98.76%，其中包含5345个注释过的藻类基因。100%这一数字指测序读段与参考基因组比对后的覆盖率；98.76%则指重建基因组中实际获得的序列比例。
外源染色体成为长期驻留者
转入的DNA包含大段染色体片段和完整的藻类染色体。染色体是DNA的包装形式，细胞分裂时会复制并分配这些遗传物质。在对仓鼠细胞基因组的详细重建中，有6条藻类染色体仍以连续、未断裂的区域存在。
显微镜观察显示，大部分藻类DNA位于仓鼠X染色体短臂末端附近。进一步分析发现，藻类染色体通过端粒相连。端粒是位于染色体末端的重复DNA序列。在一条人类杂交细胞系中，研究团队通过多种测序方法证实，藻类DNA与人类染色体之间存在连接位点。
近畿大学的研究公告称，杂交细胞在保留藻类DNA的同时分裂了150多代。论文还介绍了在没有抗生素筛选的情况下，藻类DNA持续保留95代的结果。后一项实验检验的是：当细胞不再需要导入的抗性标记来抵御抗生素时，外源DNA能否继续保留。
研究人员以细胞分裂次数来计算世代数，而不是以细胞在培养容器之间转移的次数计算。遗传物质能持续保留十分重要，因为经过改造、具有实用价值的细胞在增殖时必须将新的遗传物质传给子代细胞。
基因沉默有助于保留外源DNA
根据机构公告，杂交细胞内95%以上的藻类基因处于非活跃状态。哺乳动物受体细胞在导入的DNA上添加了化学标记，并将其压缩成一种与基因活性降低相关的状态。
DNA甲基化就是其中一种标记过程。它会在DNA上附加小型化学基团，但不会改变遗传字母的排列顺序。这些标记有助于调控基因指令是否会被使用。
压缩后的DNA形成了异染色质，即DNA与相关蛋白紧密排列的状态。可以将它比作一批合上的说明书：信息依然存在，但读取受到限制。
研究团队使用缺乏一种负责添加新甲基化标记的酶的仓鼠细胞后，稳定杂交细胞形成的效率降低，转入的藻类DNA也更容易丢失。研究人员将这一容纳并限制外源DNA的过程称为“表观遗传把关”。这也是研究的核心发现：让外源基因保持沉默的机制，同时帮助受体细胞保留这些基因。
为何仍无法进行光合作用
杂交细胞保留了藻类的遗传信息，但叶绿体在融合过程中解体了。光合作用需要功能正常的叶绿体，以及为其提供支持的基因协同发挥作用。在这些新细胞中，叶绿体已经消失，且大多数藻类基因被关闭。
叶绿体利用光驱动反应，从水中释放氧气，并帮助将二氧化碳转化为包括糖在内的碳水化合物。这些碳水化合物储存了细胞可利用的能量。
此前，松永的团队曾在特殊培养条件下将schyzon叶绿体导入仓鼠细胞。研究人员检测到了初期的光合作用反应，但很难让这一系统在细胞反复分裂后继续维持。这段经历促使团队尝试同时转入藻类基因组。
东京大学新领域创成科学研究科教授松永幸大在一段由日文翻译的评论中介绍了下一步目标：
接下来，我们希望导入叶绿体，让schyzon基因也发挥作用，从而通过光合作用产生氧气。
机构公告称，研究人员计划开发方法，有选择地激活与光合作用或有用物质生产相关的基因。技术难点在于，既要通过抑制基因维持已实现的稳定性，又要让选定的功能发挥作用。
这项研究或将如何改变食品和药物生产
培养肉是潜在应用之一。用于食品生产的动物细胞需要营养物质和氧气。如果研究人员能够让这些细胞持续进行光合作用，它们或许可以自行产生一些有用物质或氧气，从而有望减少维持细胞培养所需供应的一部分物资。
药物生产是另一项设想，尤其是因为CHO细胞已被用作生产药物和有用蛋白质的细胞工厂。机构公告还提出了其他可能性，包括开发能在缺氧环境中产生氧气的人类治疗用细胞，以及能够捕获二氧化碳的动物细胞。
这些应用仍有赖于后续实验。目前尚未公布实现持续光合作用、生产食品或开发治疗方法的时间表。这项研究报告了DNA转移、保留和调控的结果；预期的生产效益仍是未来工作的目标。
这项研究也为细胞工程提供了另一种思路。科学家或许不必逐个导入选定基因，而是可以先转入大量遗传指令，再激活所需功能。眼下需要回答的问题是：哪些藻类基因能够被开启，同时又不影响杂交细胞稳定生长？
要点
- 日本研究团队将红藻与仓鼠和人类实验室细胞融合，培育出保留大量藻类DNA的杂交细胞。
- 一个仓鼠细胞系保留了覆盖整个藻类基因组的遗传物质；人类细胞系保留了最多66%。
- 机构公告称，杂交细胞分裂了150多代。论文还介绍了在没有抗生素筛选的情况下，DNA持续保留95代的结果。
- 95%以上的藻类基因处于沉默状态；DNA甲基化帮助细胞容纳外源遗传物质。
- 由于叶绿体解体且大多数藻类基因仍处于非活跃状态，杂交细胞无法进行光合作用。
- 氧气生产、培养肉和药物制造是拟议中的应用，目前尚未公布研发时间表。
