2020年7月21日訊 /生物谷BIOON /——美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院(NIH)下屬的國(guó)家人類基因組研究所(NHGRI)的研究人員制造出了第一個(gè)人類染色體的端到端DNA序列,。近日發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上的研究結(jié)果表明，精確地生成人類染色體的堿基序列現(xiàn)在是可能的,，這將使研究人員能夠生成完整的人類基因組序列,。
"這一成就開(kāi)啟了基因組學(xué)研究的新時(shí)代，"美國(guó)國(guó)家基因組研究所主任,、醫(yī)學(xué)博士Eric Green說(shuō)道,。"產(chǎn)生真正完整的染色體和基因組序列的能力是一項(xiàng)技術(shù)壯舉，它將幫助我們獲得對(duì)基因組功能的全面理解,，并為在醫(yī)療保健中使用基因組信息提供信息,。"
經(jīng)過(guò)近二十年的改進(jìn)，人類基因組參考序列是迄今為止最準(zhǔn)確和完整的脊椎動(dòng)物基因組序列,。然而,，其中仍然還有數(shù)百個(gè)未知的空白或缺失的DNA序列。
圖片來(lái)源：Nature
這些缺口通常包含重復(fù)的DNA片段,，非常難以測(cè)序,。然而，這些重復(fù)片段包括可能與人類健康和疾病相關(guān)的基因和其他功能元素。
因?yàn)槿祟惢蚪M非常長(zhǎng),，由大約60億個(gè)堿基組成,，DNA測(cè)序機(jī)無(wú)法一次讀取所有堿基。取而代之的是,，研究人員將基因組切成更小的片段,，然后分析每一個(gè)片段，每次產(chǎn)生幾百個(gè)堿基的序列,。這些較短的DNA序列必須被重新組合在一起,。
國(guó)家人類基因組研究所(NHGRI)的資深作者Adam Phillippy博士將這個(gè)問(wèn)題比作解決一個(gè)謎題。
"想象一下,，我們要重建一個(gè)拼圖游戲,。如果你用的是更小的碎片，每一塊都包含了更少的背景來(lái)找出它的來(lái)源,，特別是在拼圖中沒(méi)有任何獨(dú)特線索的部分,，比如藍(lán)天。人類基因組測(cè)序也是如此,。直到現(xiàn)在,，這些片段都太小了，沒(méi)有辦法把基因組拼圖中最難的部分拼在一起,。"
在24條人類染色體(包括X和Y)中,，研究作者Phillippy和Karen Miga博士選擇先完成X染色體序列，因?yàn)樗c許多疾病有關(guān),，包括血友病,、慢性肉芽腫病和杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良。
人類有兩套染色體,，分別來(lái)自父母,。例如，女性從生理上繼承了兩條X染色體,，一條來(lái)自母親，另一條來(lái)自父親,。然而,，這兩條X染色體并不完全相同，它們的DNA序列會(huì)有許多不同之處,。
在這項(xiàng)研究中,，研究人員沒(méi)有對(duì)來(lái)自正常人類細(xì)胞的X染色體進(jìn)行排序。相反,，他們使用了一種特殊的細(xì)胞類型--有兩個(gè)相同的X染色體,。這樣的細(xì)胞比只有一個(gè)X染色體副本的男性細(xì)胞提供更多的DNA進(jìn)行測(cè)序。它還避免了分析一個(gè)典型女性細(xì)胞的兩個(gè)X染色體時(shí)遇到的序列差異。
作者和他們的同事們利用了新技術(shù),，可以對(duì)長(zhǎng)段DNA進(jìn)行測(cè)序,。他們沒(méi)有準(zhǔn)備和分析小的DNA片段，而是使用了一種保持DNA分子基本完整的方法,。然后用兩種不同的儀器分析這些大的DNA分子,。每一種機(jī)器都能產(chǎn)生很長(zhǎng)的DNA序列，這是以前的儀器無(wú)法完成的,。
在以這種方式分析了人類的X染色體后,，Phillippy和他的團(tuán)隊(duì)使用他們新開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)程序?qū)⑸傻男蛄械脑S多片段組合起來(lái)。Miga的研究小組致力于縮小X染色體上最大的剩余序列空隙,，也就是染色體中間部分被稱為著絲粒的約300萬(wàn)個(gè)重復(fù)DNA堿基,。
對(duì)于研究人員來(lái)說(shuō)，沒(méi)有"黃金標(biāo)準(zhǔn)"來(lái)批判性地評(píng)估組裝這種高度重復(fù)的DNA序列的準(zhǔn)確性,。為了幫助確認(rèn)所生成序列的有效性,，Miga及其合作者執(zhí)行了幾個(gè)驗(yàn)證步驟。
"實(shí)際上,，我們以前從未在我們的基因組中看到過(guò)這些序列,，也沒(méi)有很多工具來(lái)測(cè)試我們的預(yù)測(cè)是否正確。這就是為什么讓基因組學(xué)領(lǐng)域的專家參與進(jìn)來(lái)并確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量是重要的,。"
這是端粒到端粒(T2T)聯(lián)盟更廣泛倡議的一部分,，部分由NHGRI資助。該聯(lián)盟的目標(biāo)是生成一份完整的人類基因組參考序列,。
圖片來(lái)源：Nature
T2T聯(lián)盟仍在繼續(xù)研究剩余的人類染色體,，目標(biāo)是在2020年生成完整的人類基因組序列。
研究人員表示還不知道在新發(fā)現(xiàn)的序列中會(huì)發(fā)現(xiàn)什么,，但這是令人興奮的未知發(fā)現(xiàn),。這是一個(gè)全基因組序列的時(shí)代，他們正全心全意地?fù)肀?br>潛在的挑戰(zhàn)依然存在,。例如,，1號(hào)染色體和9號(hào)染色體具有比X染色體大得多的重復(fù)DNA片段。
Miga說(shuō)："我們知道,，我們基因組中這些以前未繪制的位點(diǎn)在個(gè)體之間有很大的不同,，但重要的是要開(kāi)始弄清楚這些差異是如何影響人類生物學(xué)和疾病的。"Phillippy和Miga都認(rèn)為,，加強(qiáng)測(cè)序方法將繼續(xù)在人類遺傳學(xué)和基因組學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)造新的機(jī)會(huì),。（生物谷Bioon.com）
參考資料：
Miga， K.H.,， Koren,， S.,， Rhie， A. et al. Telomere-to-telomere assembly of a complete human X chromosome. Nature (2020). https：//doi.org/10.1038/s41586-020-2547-7
Researchers generate complete human X chromosome sequence
New technique promises more accurate genomes
Ross,， M.,， Grafham， D.,， Coffey,， A. et al. The DNA sequence of the human X chromosome. Nature 434， 325-337 (2005). https：//doi.org/10.1038/nature03440（潤(rùn)寶醫(yī)療網(wǎng)）
"這一成就開(kāi)啟了基因組學(xué)研究的新時(shí)代，"美國(guó)國(guó)家基因組研究所主任,、醫(yī)學(xué)博士Eric Green說(shuō)道,。"產(chǎn)生真正完整的染色體和基因組序列的能力是一項(xiàng)技術(shù)壯舉，它將幫助我們獲得對(duì)基因組功能的全面理解,，并為在醫(yī)療保健中使用基因組信息提供信息,。"
經(jīng)過(guò)近二十年的改進(jìn)，人類基因組參考序列是迄今為止最準(zhǔn)確和完整的脊椎動(dòng)物基因組序列,。然而,，其中仍然還有數(shù)百個(gè)未知的空白或缺失的DNA序列。
圖片來(lái)源：Nature
這些缺口通常包含重復(fù)的DNA片段,，非常難以測(cè)序,。然而，這些重復(fù)片段包括可能與人類健康和疾病相關(guān)的基因和其他功能元素。
因?yàn)槿祟惢蚪M非常長(zhǎng),，由大約60億個(gè)堿基組成,，DNA測(cè)序機(jī)無(wú)法一次讀取所有堿基。取而代之的是,，研究人員將基因組切成更小的片段,，然后分析每一個(gè)片段，每次產(chǎn)生幾百個(gè)堿基的序列,。這些較短的DNA序列必須被重新組合在一起,。
國(guó)家人類基因組研究所(NHGRI)的資深作者Adam Phillippy博士將這個(gè)問(wèn)題比作解決一個(gè)謎題。
"想象一下,，我們要重建一個(gè)拼圖游戲,。如果你用的是更小的碎片，每一塊都包含了更少的背景來(lái)找出它的來(lái)源,，特別是在拼圖中沒(méi)有任何獨(dú)特線索的部分,，比如藍(lán)天。人類基因組測(cè)序也是如此,。直到現(xiàn)在,，這些片段都太小了，沒(méi)有辦法把基因組拼圖中最難的部分拼在一起,。"
在24條人類染色體(包括X和Y)中,，研究作者Phillippy和Karen Miga博士選擇先完成X染色體序列，因?yàn)樗c許多疾病有關(guān),，包括血友病,、慢性肉芽腫病和杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良。
人類有兩套染色體,，分別來(lái)自父母,。例如，女性從生理上繼承了兩條X染色體,，一條來(lái)自母親，另一條來(lái)自父親,。然而,，這兩條X染色體并不完全相同，它們的DNA序列會(huì)有許多不同之處,。
在這項(xiàng)研究中,，研究人員沒(méi)有對(duì)來(lái)自正常人類細(xì)胞的X染色體進(jìn)行排序。相反,，他們使用了一種特殊的細(xì)胞類型--有兩個(gè)相同的X染色體,。這樣的細(xì)胞比只有一個(gè)X染色體副本的男性細(xì)胞提供更多的DNA進(jìn)行測(cè)序。它還避免了分析一個(gè)典型女性細(xì)胞的兩個(gè)X染色體時(shí)遇到的序列差異。
作者和他們的同事們利用了新技術(shù),，可以對(duì)長(zhǎng)段DNA進(jìn)行測(cè)序,。他們沒(méi)有準(zhǔn)備和分析小的DNA片段，而是使用了一種保持DNA分子基本完整的方法,。然后用兩種不同的儀器分析這些大的DNA分子,。每一種機(jī)器都能產(chǎn)生很長(zhǎng)的DNA序列，這是以前的儀器無(wú)法完成的,。
在以這種方式分析了人類的X染色體后,，Phillippy和他的團(tuán)隊(duì)使用他們新開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)程序?qū)⑸傻男蛄械脑S多片段組合起來(lái)。Miga的研究小組致力于縮小X染色體上最大的剩余序列空隙,，也就是染色體中間部分被稱為著絲粒的約300萬(wàn)個(gè)重復(fù)DNA堿基,。
對(duì)于研究人員來(lái)說(shuō)，沒(méi)有"黃金標(biāo)準(zhǔn)"來(lái)批判性地評(píng)估組裝這種高度重復(fù)的DNA序列的準(zhǔn)確性,。為了幫助確認(rèn)所生成序列的有效性,，Miga及其合作者執(zhí)行了幾個(gè)驗(yàn)證步驟。
"實(shí)際上,，我們以前從未在我們的基因組中看到過(guò)這些序列,，也沒(méi)有很多工具來(lái)測(cè)試我們的預(yù)測(cè)是否正確。這就是為什么讓基因組學(xué)領(lǐng)域的專家參與進(jìn)來(lái)并確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量是重要的,。"
這是端粒到端粒(T2T)聯(lián)盟更廣泛倡議的一部分,，部分由NHGRI資助。該聯(lián)盟的目標(biāo)是生成一份完整的人類基因組參考序列,。
圖片來(lái)源：Nature
T2T聯(lián)盟仍在繼續(xù)研究剩余的人類染色體,，目標(biāo)是在2020年生成完整的人類基因組序列。
研究人員表示還不知道在新發(fā)現(xiàn)的序列中會(huì)發(fā)現(xiàn)什么,，但這是令人興奮的未知發(fā)現(xiàn),。這是一個(gè)全基因組序列的時(shí)代，他們正全心全意地?fù)肀?br>潛在的挑戰(zhàn)依然存在,。例如,，1號(hào)染色體和9號(hào)染色體具有比X染色體大得多的重復(fù)DNA片段。
Miga說(shuō)："我們知道,，我們基因組中這些以前未繪制的位點(diǎn)在個(gè)體之間有很大的不同,，但重要的是要開(kāi)始弄清楚這些差異是如何影響人類生物學(xué)和疾病的。"Phillippy和Miga都認(rèn)為,，加強(qiáng)測(cè)序方法將繼續(xù)在人類遺傳學(xué)和基因組學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)造新的機(jī)會(huì),。（生物谷Bioon.com）
參考資料：
Miga， K.H.,， Koren,， S.,， Rhie， A. et al. Telomere-to-telomere assembly of a complete human X chromosome. Nature (2020). https：//doi.org/10.1038/s41586-020-2547-7
Researchers generate complete human X chromosome sequence
New technique promises more accurate genomes
Ross,， M.,， Grafham， D.,， Coffey,， A. et al. The DNA sequence of the human X chromosome. Nature 434， 325-337 (2005). https：//doi.org/10.1038/nature03440（潤(rùn)寶醫(yī)療網(wǎng)）
