2012年12月21日,，《科學(xué)》發(fā)表了北大生物動態(tài)光學(xué)成像中心（BIOPIC）,、生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心李瑞強(qiáng)課題組與哈佛大學(xué)謝曉亮課題組合作的的研究論文“Probing Meiotic Recombination and Aneuploidy of Single Sperm Cells by Whole Genome Sequencing”,。這項(xiàng)工作首次實(shí)現(xiàn)了高覆蓋度的單個精子的全基因組測序,，構(gòu)建了迄今為止重組定位精度最高的個人遺傳圖譜，并且解決了一個困繞學(xué)術(shù)界多年的問題,，即基因區(qū)附近重組率的降低是由于分子機(jī)制而非自然選擇造成的,。這項(xiàng)工作由一年級博士生樊偉和楊明玉與哈佛大學(xué)的博士生陸思嘉和博士后宗程航共同完成。
減數(shù)分裂期間同源染色體之間發(fā)生的片段交叉重組(crossover),，對于實(shí)現(xiàn)遺傳物質(zhì)的分離是至關(guān)重要的,，也是產(chǎn)生生物基因組多態(tài)性的重要機(jī)制。重組率在整個基因組中并非均勻分布,，而是集中在一些散布的狹小區(qū)域內(nèi)(hotspot),，并且不同物種之間以及相同物種的不同個體之間都可能存在明顯的差別。以往對于人類染色體重組的的研究,，受限于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制,，分辨率一直都比較低；另外,，由于一個家庭內(nèi)的孩子數(shù)目有限,，以往的研究都是在群體水平上開展的，而無法開展個人水平的遺傳重組規(guī)律研究,。單細(xì)胞DNA擴(kuò)增技術(shù)和高通量測序技術(shù)的發(fā)明,，使得測序單個精子的基因組成為可能。利用精子基因組測序技術(shù)來研究人類的染色體重組規(guī)律,，具有以往技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢,。首先，精子是天然重組產(chǎn)生的單倍體,，取材方便,，而且從一個人可取的精子數(shù)量幾乎是無限的，可以很容易地研究個人水平的重組分布規(guī)律,；其次,，全基因組測序技術(shù)提供了最高的分子標(biāo)記（marker）密度,，能夠得到最為精確的crossover定位結(jié)果，測序技術(shù)本身具有高通量,、自動化等特點(diǎn),，隨著測序成本的迅速降低，這一優(yōu)勢以后會更加突出,。
該項(xiàng)工作使用謝曉亮教授課題組新近發(fā)明的MALBAC擴(kuò)增技術(shù)對一個亞洲男性的99個精子進(jìn)行了單細(xì)胞全基因組DNA擴(kuò)增,，并且利用HiSeq高通量測序技術(shù)對每個精子分別進(jìn)行了一倍深度的測序。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),，平均每個精子中的crossover個數(shù)約為26.6個 (圖一),，與之前的報(bào)道基本吻合。該項(xiàng)工作crossover的定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了幾個月前Stanford一小組的報(bào)道,。 他們發(fā)現(xiàn)個人的重組率的分布在百萬堿基（Mega bases）尺度范圍內(nèi)與群體的重組率分布基本上是一致的,，并且在個人水平上基因區(qū)附近的重組率也有降低的趨勢 (圖二)，從而證明了這一現(xiàn)象是由分子機(jī)制決定的,，而非自然選擇的結(jié)果,。除了重組的研究，在精子測序的結(jié)果中,，他們還發(fā)現(xiàn)了5%的精子基因組是非整倍體的,，而非整倍體（如21號染色體三體）將造成嚴(yán)重的先天性出生缺陷。
單精子基因組測序非常清晰地揭示了crossover的分布以及個人水平上重組率的分布規(guī)律,，隨著未來測序成本的進(jìn)一步降低,，可以測序一個人更多的精子，從而獲得精度更高的個體特異性的重組率分布圖譜,，也可以通過比較很多人的精子來研究重組率分布在不同個體之間的差異,。
生物動態(tài)光學(xué)成像中心（Biodynamic Optical Imaging Center, BIOPIC）是北京大學(xué)于2010年成立的一個跨學(xué)科合作實(shí)體研究中心。中心的目標(biāo)是發(fā)展和利用最先進(jìn)的生物成像與基因測序手段,，在分子和細(xì)胞水平上進(jìn)行生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究,。中心配備世界一流的研究設(shè)備和條件，有重點(diǎn)地發(fā)展最新的生物成像和測序技術(shù),。
謝曉亮教授是國際知名化學(xué)家,、生物物理學(xué)家。作為單分子酶學(xué)的奠基人之一,，大幅發(fā)展改良了單分子熒光顯微鏡技術(shù)并觀察到許多重要結(jié)果,；對相干拉曼散射顯微鏡的發(fā)展做出了創(chuàng)造性的巨大貢獻(xiàn)；在新一代高通量基因組測序的方法學(xué),、儀器研發(fā)及應(yīng)用研究方面獨(dú)樹一幟,。曾獲美國能源部勞倫斯獎、美國生物物理學(xué)會Founders獎,、美國化學(xué)會Harrison Howe獎等,；當(dāng)選美國科學(xué)院院士,、美國文理科學(xué)院院士、中國化學(xué)會榮譽(yù)會士,，是美國物理學(xué)會,、生物物理學(xué)會、科學(xué)促進(jìn)會和微生物學(xué)會會士,。2010年起謝曉亮教授在北京大學(xué)組建生物動態(tài)光學(xué)成像中心,，并與北大多個研究組開展了廣泛的合作。
李瑞強(qiáng)教授2011年加盟北大,，之前任華大基因副總裁,，目前在北大的主要研究方向包括生物信息學(xué)方法與軟件開發(fā)、基于高通量測序的動植物基因組組裝與分析,、群體多態(tài)性與進(jìn)化、基因與性狀關(guān)聯(lián),、人類遺傳性疾病基因定位,、癌癥基因組學(xué)、微生物Metagenomics等,。(生物谷Bioon.com)
DOI: 10.1126/science.1229112
PMC:
PMID:
Probing Meiotic Recombination and Aneuploidy of Single Sperm Cells by Whole-Genome Sequencing
Sijia Lu1,*,†, Chenghang Zong1,*, Wei Fan2,*, Mingyu Yang2,*, Jinsen Li2, Alec R. Chapman1,3, Ping Zhu2, Xuesong Hu2, Liya Xu2, Liying Yan4,5, Fan Bai2, Jie Qiao4,5, Fuchou Tang2, Ruiqiang Li2,6,‡, X. Sunney Xie1,2,‡
Meiotic recombination creates genetic diversity and ensures segregation of homologous chromosomes. Previous population analyses yielded results averaged among individuals and affected by evolutionary pressures. We sequenced 99 sperm from an Asian male by using the newly developed amplification method—multiple annealing and looping-based amplification cycles—to phase the personal genome and map recombination events at high resolution, which are nonuniformly distributed across the genome in the absence of selection pressure. The paucity of recombination near transcription start sites observed in individual sperm indicates that such a phenomenon is intrinsic to the molecular mechanism of meiosis. Interestingly, a decreased crossover frequency combined with an increase of autosomal aneuploidy is observable on a global per-sperm basis.
