科學(xué)家們終于對完整的人類基因組進行了測序——并揭示了新的遺傳秘密

2022-04-16 微視博客

人類基因組最后 8% 的測序花費了 20 年時間，發(fā)明了讀取遺傳密碼長序列的新技術(shù)，該序列由核苷酸 C、T、G 和 A 組成。整個基因組包含超過 30 億個核苷酸。

完整的人類基因組序列

對人類基因組最后 8% 的測序花費了 20 年時間，發(fā)明了讀取遺傳密碼長序列的新技術(shù)，該序列由核苷酸 C、T、G 和 A 組成。整個基因組包含超過 30 億個核苷酸。圖片來源：Ernesto del Aguila III，NHGRI

著絲粒周圍的重復(fù)DNA序列顯示了人類遺傳變異的歷史。

當(dāng)科學(xué)家在 2003 年公布人類基因組的完整序列時，他們有點捏造。

事實上，近 20 年后，大約 8% 的基因組從未被完全測序，主要是因為它由高度重復(fù)的 DNA 塊組成，很難與其余部分對齊。

但一個成立三年的聯(lián)盟終于填補了剩余的 DNA，為科學(xué)家和醫(yī)生提供了第一個完整的、無間隙的基因組序列供參考。

新完成的基因組被稱為 T2T-CHM13，代表了當(dāng)前參考基因組 GRCh38 的重大升級，醫(yī)生在尋找與疾病相關(guān)的突變時使用該參考基因組，以及研究人類遺傳變異進化的科學(xué)家使用。

VMS155A
VMS155A三目萬向支架體視顯微鏡

除其他外，新的 DNA 序列揭示了著絲粒周圍區(qū)域的前所未有的細(xì)節(jié)，這是細(xì)胞分裂時染色體被抓住并拉開的地方，確保每個“子”細(xì)胞繼承正確數(shù)量的染色體。該地區(qū)的變異性也可能為我們?nèi)祟愖嫦热绾卧诜侵捱M化提供新的證據(jù)。

“發(fā)現(xiàn)這些以前缺失的基因組區(qū)域的完整序列告訴了我們很多關(guān)于它們是如何組織的，這對于許多染色體來說是完全未知的，”加州大學(xué)伯克利分校的博士后研究員 Nicolas Altemose 說。四篇關(guān)于完整基因組的新論文的合著者。“以前，我們只是對那里的東西有最模糊的了解，而現(xiàn)在它已經(jīng)清晰到單堿基對分辨率?！?/p>

Altemose 是一篇描述著絲粒周圍堿基對序列的論文的第一作者。一篇解釋測序是如何完成的論文將出現(xiàn)在 4 月 1 日的《科學(xué)》雜志印刷版中，而Altemose 的著絲粒論文和其他四篇描述新序列告訴我們的內(nèi)容的論文在期刊中進行了總結(jié)，全文發(fā)布在網(wǎng)上。四篇配套論文，包括一篇由 Altemose 為共同第一作者的論文，也將于 4 月 1 日在線發(fā)表在Nature Methods雜志上。

測序和分析是由一個 100 多人的團隊進行的，即所謂的Telemere-to-Telomere Consortium或 T2T，以覆蓋所有染色體末端的端粒命名。該聯(lián)盟的所有 22 個常染色體和 X 性染色體的無間隙版本由 30.55 億個堿基對（構(gòu)建染色體和我們的基因的單位）和 19,969 個蛋白質(zhì)編碼基因組成。在蛋白質(zhì)編碼基因中，T2T 團隊發(fā)現(xiàn)了大約 2,000 個新的基因，其中大多數(shù)被禁用，但其中 115 個可能仍被表達。他們還在人類基因組中發(fā)現(xiàn)了大約 200 萬個額外變異，其中 622 個發(fā)生在醫(yī)學(xué)相關(guān)基因中。

“將來，當(dāng)某人對他們的基因組進行測序時，我們將能夠識別他們 DNA 中的所有變體，并利用這些信息更好地指導(dǎo)他們的醫(yī)療保健，”T2T 的負(fù)責(zé)人之一、高級研究員 Adam Phillippy 說。美國國立衛(wèi)生研究院國家人類基因組研究所（NHGRI）的研究員?！罢嬲瓿扇祟惢蚪M序列就像戴上一副新眼鏡?，F(xiàn)在我們可以清楚地看到一切，我們離理解這一切意味著什么又近了一步?！?/p>

進化著絲粒

著絲粒內(nèi)和周圍的新 DNA 序列總計約占整個基因組的 6.2%，或近 1.9 億個堿基對或核苷酸。在其余新添加的序列中，大多數(shù)位于每條染色體末端的端粒周圍和核糖體基因周圍的區(qū)域。整個基因組僅由四種核苷酸組成，它們以三種為一組，編碼用于構(gòu)建蛋白質(zhì)的氨基酸。Altemose 的主要研究包括尋找和探索蛋白質(zhì)與 DNA 相互作用的染色體區(qū)域。

遺物著絲粒層

在細(xì)胞分裂過程中將染色體拉開的紡錘體（綠色）附著在一種稱為動粒的蛋白質(zhì)復(fù)合體上，該復(fù)合體在稱為著絲粒的位置鎖定在染色體上——著絲粒是一個包含高度重復(fù) DNA 序列的區(qū)域。比較這些重復(fù)序列的序列揭示了突變累積了數(shù)百萬年的位置，反映了每個重復(fù)序列的相對年齡。活躍著絲粒中的重復(fù)序列往往是該區(qū)域中最年輕和最近重復(fù)的序列，并且它們的 DNA 甲基化程度非常低。在兩側(cè)活躍著絲粒周圍是較老的重復(fù)，可能是以前著絲粒的遺跡，最古老的著絲粒離活躍著絲粒最遠(yuǎn)。研究人員希望新的實驗方法能夠幫助揭示為什么著絲粒從中間進化，以及為什么這種模式與動粒結(jié)合和低 DNA 甲基化密切相關(guān)。學(xué)分：加州大學(xué)伯克利分校的 Nicolas Altemose

發(fā)現(xiàn)： 蛋白質(zhì)控制在帕金森病中出錯的線粒體裂變過程

“沒有蛋白質(zhì)，DNA 就什么都不是，”獲得博士學(xué)位的 Altemose 說。在獲得博士學(xué)位后，于 2021 年從加州大學(xué)伯克利分校和加州大學(xué)舊金山分校聯(lián)合獲得生物工程博士學(xué)位。牛津大學(xué)統(tǒng)計學(xué)專業(yè)?！癉NA 是一組指令，如果周圍沒有蛋白質(zhì)來組織、調(diào)節(jié)、修復(fù)受損并復(fù)制它，就沒有人可以閱讀它。蛋白質(zhì)-DNA相互作用確實是基因組調(diào)控的所有作用發(fā)生的地方，能夠繪制出某些蛋白質(zhì)與基因組結(jié)合的位置對于理解它們的功能非常重要?！?/p>

在 T2T 聯(lián)盟對丟失的 DNA 進行測序后，Altemose 和他的團隊使用新技術(shù)在著絲粒內(nèi)找到了一個稱為動粒的大蛋白質(zhì)復(fù)合物牢固地抓住染色體的位置，以便細(xì)胞核內(nèi)的其他機器可以將染色體對分開。

“當(dāng)出現(xiàn)問題時，你最終會得到錯誤分離的染色體，這會導(dǎo)致各種問題，”他說?！叭绻@種情況發(fā)生在減數(shù)分裂中，這意味著你的染色體異?？赡軙?dǎo)致自然流產(chǎn)或先天性疾病。如果它發(fā)生在體細(xì)胞中，你最終可能會患上癌癥——基本上，細(xì)胞有大量的失調(diào)。”

他們在著絲粒內(nèi)和周圍發(fā)現(xiàn)的是新序列層覆蓋著舊序列層，好像通過進化，新的著絲粒區(qū)域被反復(fù)放置以與著絲粒結(jié)合。較老的區(qū)域的特征是更多的隨機突變和缺失，表明它們不再被細(xì)胞使用。動粒結(jié)合的較新序列的可變性要小得多，而且甲基化程度也較低。甲基的添加是一種表觀遺傳標(biāo)簽，傾向于使基因沉默。

著絲粒內(nèi)部和周圍的所有層都由重復(fù)長度的 DNA 組成，基于一個大約 171 個堿基對長的單位，這大致是纏繞一組蛋白質(zhì)形成核小體的 DNA 長度，保持 DNA 包裝和緊湊。這 171 個堿基對單元形成了更大的重復(fù)結(jié)構(gòu)，這些重復(fù)結(jié)構(gòu)串聯(lián)重復(fù)多次，在著絲粒周圍形成了一個大的重復(fù)序列區(qū)域。

T2T 團隊只關(guān)注一個人類基因組，該基因組是從一種稱為葡萄胎的非癌性腫瘤中獲得的，該腫瘤本質(zhì)上是一個拒絕母體 DNA 并復(fù)制其父系 DNA 的人類胚胎。這樣的胚胎死亡并轉(zhuǎn)化為腫瘤。但事實上，這顆痣有兩個相同的父親 DNA 拷貝——都帶有父親的 X 染色體，而不是來自母親和父親的不同 DNA——這使得測序變得更容易。

研究人員本周還發(fā)布了來自不同來源的 Y 染色體的完整序列，該序列的組裝時間幾乎與基因組其余部分的總和一樣長，Altemose 說。對這一新 Y 染色體序列的分析將出現(xiàn)在未來的出版物中。

來自具有最近非洲血統(tǒng)的人群的著絲粒的高度遺傳多樣性

當(dāng)研究人員比較來自世界各地的 1,600 人的著絲粒區(qū)域時，他們發(fā)現(xiàn)那些沒有近期非洲血統(tǒng)的人大多具有兩種類型的序列變異。這兩種變化的比例由圓圈內(nèi)的黑色和淺灰色楔形表示，它們位于地圖上每組個體被采樣的位置附近。那些來自非洲或其他有很大比例的人最近有非洲血統(tǒng)的地區(qū)，如加勒比地區(qū)，有更多的著絲粒序列變異，以多色楔形為代表。這種變異可以幫助追蹤著絲粒區(qū)域如何進化，以及這些遺傳變異如何與健康和疾病相關(guān)。學(xué)分：加州大學(xué)伯克利分校的 Nicolas Altemose

Altemose 和他的團隊，包括加州大學(xué)伯克利分校項目科學(xué)家 Sasha Langley，也使用新的參考基因組作為支架來比較來自世界各地的 1,600 個人的著絲粒 DNA，揭示了周圍重復(fù) DNA 的序列和拷貝數(shù)的主要差異著絲粒。先前的研究表明，當(dāng)一群古代人類從非洲遷移到世界其他地方時，他們只帶走了一小部分基因變異樣本。Altemose 和他的團隊證實這種模式延伸到著絲粒。

“我們發(fā)現(xiàn)，在最近有非洲大陸以外血統(tǒng)的個體中，他們的著絲粒，至少在 X 染色體上，傾向于分成兩個大簇，而大多數(shù)有趣的變異發(fā)生在最近有非洲血統(tǒng)的個體中，”Altemose說過。“鑒于我們對基因組其余部分的了解，這并不完全令人驚訝。但它表明，如果我們想研究這些著絲粒區(qū)域的有趣變異，我們真的需要集中精力對更多的非洲基因組進行測序，并完成端粒到端粒的序列組裝?！?/p>

他指出，著絲粒周圍的 DNA 序列也可用于將人類譜系追溯到我們共同的猿祖先。

“當(dāng)你離開活躍著絲粒的位置時，你會得到越來越多的退化序列，以至于如果你走到這片重復(fù)序列海洋的最遠(yuǎn)海岸，你就會開始看到古老的著絲粒，也許，我們遙遠(yuǎn)的靈長類動物祖先曾經(jīng)與動粒結(jié)合，”Altemose 說?！斑@幾乎就像一層層的化石?！?/p>

長讀測序改變游戲規(guī)則

T2T 的成功歸功于改進的一次測序長 DNA 片段的技術(shù)，這有助于確定高度重復(fù)的 DNA 片段的順序。其中包括 PacBio 的 HiFi 測序，可讀取長度超過 20,000 個堿基對，準(zhǔn)確率高。另一方面，由 Oxford Nanopore Technologies Ltd. 開發(fā)的技術(shù)可以按順序讀取多達數(shù)百萬個堿基對，但保真度較低。相比之下，Illumina Inc. 所謂的下一代測序僅限于數(shù)百個堿基對。

我們 DNA 的某些部分令人痛苦地重復(fù)信息圖

完成人類基因組序列需要 20 年的原因之一是：我們的大部分 DNA 都極其重復(fù)。信用：信息圖由 NHGRI、NIH 提供

“這些新的長讀長 DNA 測序技術(shù)簡直令人難以置信；它們是這樣的游戲規(guī)則改變者，不僅因為這個重復(fù)的 DNA 世界，而且因為它們允許你對單個長 DNA 分子進行測序，”Altemose 說?！澳梢蚤_始以前所未有的分辨率提出問題，即使使用短讀長測序方法也是如此?！?/p>

Altemose 計劃進一步探索著絲粒區(qū)域，使用他和斯坦福大學(xué)的同事開發(fā)的一種改進技術(shù)來確定染色體上與蛋白質(zhì)結(jié)合的位點，類似于動粒與著絲粒的結(jié)合方式。這種技術(shù)也使用了長讀長測序技術(shù)。他和他的團隊在本周發(fā)表在《自然方法》雜志上的一篇論文中描述了這項技術(shù)，稱為長讀長測序定向甲基化 (DiMeLo-seq)?。

與此同時，T2T 聯(lián)盟正在與人類泛基因組參考聯(lián)盟合作，致力于打造代表全人類的參考基因組。

“我們應(yīng)該有一個代表每個人的參考，而不是僅僅從一個人類個體或一個葡萄胎（甚至不是真正的人類個體）獲得一個參考，”Altemose 說?！瓣P(guān)于如何實現(xiàn)這一點有各種各樣的想法。但我們首先需要掌握這種變異是什么樣子的，我們需要大量高質(zhì)量的個體基因組序列來實現(xiàn)這一點?！?/p>

他在著絲粒區(qū)域的工作，他稱之為“激情項目”，由博士后獎學(xué)金資助。T2T 項目的負(fù)責(zé)人是加州大學(xué)圣克魯茲分校的 Karen Miga、華盛頓大學(xué)的Evan Eichler和 NHGRI 的 Adam Phillippy，他們提供了大部分資金。著絲粒論文的其他加州大學(xué)伯克利分校的合著者是生物工程助理教授 Aaron Streets；Abby Dernburg 和 Gary Karpen，分子和細(xì)胞生物學(xué)教授；項目科學(xué)家 Sasha Langley；和前博士后研究員吉娜卡爾達斯。

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