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2020年7月14日,星期二

NIH研究人员生成完整的人类X染色体序列

这一成就开启了基因组学研究的新纪元。

美国国立卫生研究院下属的国家人类基因组研究所(NHGRI)的研究人员已经生产出人类染色体的第一个端对端DNA序列。结果, 今天出版性质的研究表明,现在有可能生成一个精确的,基于碱基的人类染色体序列,这将使研究人员能够生成人类基因组的完整序列。

国家卫生研究院主任医学博士Eric Green说:“这项成就开创了基因组学研究的新纪元。” “产生真正完整的染色体和基因组序列的能力是一项技术专长,将有助于我们全面了解基因组功能,并为医学护理中的基因组信息的使用提供信息。”

经过近二十年的改进,人类基因组的参考序列是有史以来最准确,最完整的脊椎动物基因组序列。但是,存在数百个未知的缺口或缺失的DNA序列。

这些缺口通常包含难以测序的重复DNA片段,但这些重复片段包括可能与人类健康和疾病相关的基因和其他功能元件。

由于人类基因组非常长,由大约60亿个碱基组成,因此DNA测序仪无法一次读取所有碱基。取而代之的是,研究人员将基因组切成较小的片段,然后分析每个片段,一次产生数百个碱基的序列。然后必须将那些较小的DNA序列放在一起。

国家人类基因组研究所(NHGRI)的资深作者亚当·菲利普(Adam Phillippy)博士将这个问题与解决难题相提并论。

“想象一下,必须重建一个拼图游戏。如果您使用的是较小的作品,则每个作品都包含较少的上下文来弄清它的来源,特别是在拼图的某些部分中,没有任何独特的线索,例如蓝天。” “对人类基因组测序也是如此。到目前为止,这些碎片还太小,无法将基因组难题中最难的部分放在一起。”

在加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的24条人类染色体(包括X和Y染色体)中,研究作者Phillippy和Karen Miga博士选择首先完成X染色体序列,因为 与多种疾病有关包括血友病,慢​​性肉芽肿病和杜兴氏肌营养不良症。

人类有两套染色体,每一对父母都有一套。例如,生物学上的女性人类继承了两条X染色体,一条来自其母亲,一条来自其父亲。但是,这两个X染色体并不相同,它们的DNA序列将包含许多差异。 

在这项研究中,研究人员没有对正常人类细胞的X染色体进行测序。相反,他们使用一种特殊的细胞类型-具有两个相同的X染色体。这样的细胞比仅具有X染色体单拷贝的雄性细胞提供更多的DNA进行测序。它还可以避免分析典型雌性细胞的两个X染色体时遇到的序列差异。

作者及其同事利用了可以对DNA的长片段进行测序的新技术。他们没有准备和分析小片段DNA,而是使用了一种使DNA分子保持完整的方法。然后,使用两种不同的仪器分析这些大的DNA分子,每种仪器都会产生非常长的DNA序列-这是以前的仪器无法完成的。

在以这种方式分析了人类X染色体后,Phillippy和他的团队使用了他们新开发的计算机程序来组装生成序列的许多片段。 Miga的研究小组致力于缩小X染色体上最大的剩余序列缺口,这是在染色体中间部分(着丝粒)发现的大约300万个重复DNA碱基。

没有“黄金标准”可供研究人员严格评估组装这种高度重复的DNA序列的准确性。为了帮助确认所生成序列的有效性,Miga和她的合作者执行了许多验证步骤。

“我们以前从未在基因组中真正看到过这些序列,也没有很多工具来检验我们所做的预测是否正确。这就是为什么让基因组学领域的专家考虑并确保最终产品的高质量如此重要的原因。” Miga说。

这项工作是端粒到端粒(T2T)联盟更广泛的计划的一部分,该联盟部分由NHGRI资助。该联盟旨在生成人类基因组的更完整参考序列。

T2T联盟正在继续努力处理剩余的人类染色体,以期在2020年产生完整的人类基因组序列。

“我们还不知道在新发现的序列中会发现什么。这是发现的令人兴奋的未知数。这是完整基因组序列的时代,我们全心全意地拥抱它。” Phillippy说。

潜在的挑战仍然存在。例如,染色体1和9的重复DNA片段比X染色体上遇到的片段大得多。

“我们知道基因组中这些以前未知的位点在个体之间是非常不同的,但是重要的是开始弄清楚这些差异如何导致人类生物学和疾病,” Miga说。 Phillippy和Miga都同意增强测序方法将继续为人类遗传学和基因组学创造新的机会。

国家卫生研究院是国立卫生研究院的27个研究所和中心之一。 国家卫生研究院校外研究计划为全国各地的研究,培训和职业发展提供资助。有关NHGRI的更多信息,请参见: //www.genome.gov.

注意:已对此版本进行了修订,以在2020年7月23日添加其他信息。

关于国立卫生研究院(NIH): 美国国立医学研究院(NIH)是美国的医学研究机构,包括27个研究所和中心,并且是美国卫生与公共服务部的一部分。 NIH是进行和支持基础,临床和转化医学研究的主要联邦机构,并且正在调查常见和罕见疾病的病因,治疗方法和治愈方法。有关NIH及其计划的更多信息,请访问 www.nih.gov.

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