Nature新论文开启基因组学研究的新纪元：完整的人类X染色体序列

来源：生物通

“这项成就开启了基因组学研究的新纪元。能够生成真正完整的染色体和基因组序列是一项技术专长，将有助于我们全面了解基因组功能。”

美国国立卫生研究院（NIH）人类基因组研究所（NHGRI）的研究人员宣布终于获得了人类染色体的第一个端对端完整DNA序列。

这一突破性发现公布在Nature杂志上，这表明有可能生成一个人类染色体的精确碱基序列，产生人类基因组的完整序列。

NHGRI主任，医学博士Eric Green说：“这项成就开启了基因组学研究的新纪元。能够生成真正完整的染色体和基因组序列是一项技术专长，将有助于我们全面了解基因组功能，并为医学应用中基因组信息的使用提供帮助。”

最准确，最完整的脊椎动物基因组序列

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

这些缺口通常包含重复的DNA片段，这些片段很难测序。然而，这些重复部分包括可能与人类健康和疾病有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。然后将这些较短的DNA序列放在一起，组装起来。

文章通讯作者Adam Phillippy博士说：“想象一下，这就像是一个拼图游戏。要把拼图拼好，特别是在拼图的某些部分，没有任何独特的线索，例如蓝天，尤为困难，对人类基因组进行测序同样如此。直到现在，这些碎片还太小，无法将基因组难题中最困难的部分拼在一起。”

在这项研究中，研究人员选取了首先完成X染色体序列，因为它与无数的X染色体疾病相关，包括血友病，慢性肉芽肿病和杜氏肌营养不良症等。

特殊的X染色体

人类有两套染色体，每一对父母都提供一套。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。而是采用了一种特殊的细胞——具有两个相同的X染色体。与仅具有X染色体单拷贝的雄性细胞相比，这种细胞可提供更多的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。

研究人员利用了可以对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。然后用两种不同的仪器分析这些大的DNA分子。每个都产生很长的DNA序列，以前的仪器无法完成。

在以这种方式分析了人类X染色体后，Phillippy他们使用了自己新开发的计算机程序来组装生成序列的许多片段。研究小组还尽力缩小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几个验证步骤。

“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。这就是为什么重要的是让基因组学专家参与进来，确保最终产品是高质量的产品。”Miga说。

这项工作是Telomere-to-Telomere (T2T) consortium计划的一部分，该计划由NHGRI部分资助，旨在产生人类基因组的完整参考序列。

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

潜在挑战仍然存在。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。” Phillippy和Miga都认为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。

参考文献

Telomere-to-telomere assembly of a complete human X chromosome