4月1日《科學(xué)》雜志封面：填補(bǔ)空缺。圖片來源：《科學(xué)》

4月1日，美國(guó)科學(xué)家領(lǐng)銜的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)在發(fā)表于《科學(xué)》的6篇論文中報(bào)告稱，有史以來最完整的人類基因組圖譜繪制完成。

20多年前，科學(xué)家發(fā)表了人類基因組草圖，破譯了“生命天書”。不過，當(dāng)時(shí)的序列尚不完整。此后遺傳學(xué)家持續(xù)改進(jìn)，但仍有約8%的序列缺失或錯(cuò)誤。

現(xiàn)在，科學(xué)家揭開了最后的謎團(tuán)，人類基因組圖譜的最后一塊拼圖終于補(bǔ)齊。

“人類基因組的這些部分，對(duì)我們理解基因組如何工作、遺傳疾病、人類多樣性和進(jìn)化非常重要。”該研究發(fā)起人之一、美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣克魯茲分校的Karen Miga在郵件中告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

“零件”更齊全的“高配”汽車

科學(xué)家于1990年啟動(dòng)人類基因組測(cè)序項(xiàng)目，并于2001年公布了首個(gè)人類基因組草圖。

它使人們對(duì)人類生物學(xué)和疾病的理解取得巨大進(jìn)展。但因?yàn)榧夹g(shù)限制，最初公布的基因組序列并不完整。

“構(gòu)成人類23對(duì)染色體的DNA堿基對(duì)太長(zhǎng)了，當(dāng)時(shí)測(cè)序時(shí)總是要切割。切割后我們就遇到一個(gè)問題——人類遺傳密碼中有大量的重復(fù)序列?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、國(guó)際人類基因組計(jì)劃參與者陳潤(rùn)生向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋道，其中一類是像“糖葫蘆”一樣串聯(lián)的重復(fù)序列，另一類則是散在的重復(fù)序列。

“如果串成串，你不知道它串的是99個(gè)重復(fù)還是100個(gè)重復(fù)；散在的問題是不知道要把它接到哪一個(gè)具有重復(fù)基因的片段上?！标悵?rùn)生說，有人將這部分難測(cè)的基因形容為“夢(mèng)幻的”或“隱蔽的”基因。

2003年人類基因組計(jì)劃宣告完成之后，遺傳學(xué)家繼續(xù)對(duì)這部分隱蔽基因進(jìn)行改進(jìn)，但仍有約8%的序列存在缺失或錯(cuò)誤?，F(xiàn)在，在新技術(shù)的支撐下，科學(xué)家終于破譯了最后一塊拼圖，繪制出缺失的部分。

新版本基因組被命名為T2T-CHM13。這有兩個(gè)緣由。一方面，它由“端粒到端?！保═2T）聯(lián)盟繪制。另一方面，研究人員是從一個(gè)被稱為CHM13的細(xì)胞系中讀取的DNA。該細(xì)胞系來自完全性葡萄胎——當(dāng)精子使一個(gè)沒有細(xì)胞核的卵子受精時(shí)在人體內(nèi)形成的組織，這種細(xì)胞可以在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)。

普通人類細(xì)胞的每段DNA都有兩個(gè)副本，一個(gè)來自母親，另一個(gè)來自父親，往往存在重大差異。當(dāng)科學(xué)家試圖組裝基因組片段時(shí)，來自父母的序列可能會(huì)混合在一起，掩蓋了個(gè)體基因組中的實(shí)際變化。

使用CHM13就避免了這個(gè)問題。由此產(chǎn)生的細(xì)胞只含有來自父親的染色體?！斑@使我們看到了生命基因手稿中以前從未讀過的章節(jié)。”華盛頓大學(xué)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員、T2T聯(lián)盟聯(lián)合主席Evan Eichler說。

T2T-CHM13被認(rèn)為是自人類參考基因組首次發(fā)布以來進(jìn)行的最大改進(jìn)。

據(jù)了解，它比上一個(gè)版本增加了近2億個(gè)堿基對(duì)以及2000多個(gè)新基因；繪制了更精確的五條染色體臂的圖譜，這將有助于人們進(jìn)一步增加對(duì)染色體的認(rèn)識(shí)；覆蓋了基因組中最復(fù)雜的一些區(qū)域，包括在重要染色體結(jié)構(gòu)及其周圍發(fā)現(xiàn)的高度重復(fù)的DNA序列，如將兩條染色體連接在一起的著絲粒和為細(xì)胞的蛋白質(zhì)工廠提供指令核糖體的DNA；發(fā)現(xiàn)了人類基因組中200多萬個(gè)變異，為622個(gè)醫(yī)學(xué)相關(guān)的基因組變異提供了更準(zhǔn)確的信息。

“以前我們看到了90%以上的基因組，但還有許多重要方面隱藏在科學(xué)視野之外?，F(xiàn)在，我們可以站在山頂，看到山下所有的風(fēng)景，獲得人類基因資源的完整圖像?！奔永Ｄ醽喆髮W(xué)圣克魯茲分?；蚪M學(xué)研究所主任David Haussler說。

“假如把人類基因組序列比作一輛非常復(fù)雜的汽車，那么與20年前完成的人類基因組草圖相比，完整的新序列相當(dāng)于增添了更多零件?！睂?duì)此，人類基因組計(jì)劃參與者、中國(guó)科學(xué)院北京基因組研究所研究員于軍在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)比喻說，“沒有它能跑，有它更好?！?/p>

“游戲規(guī)則的改變者”

過去10年間出現(xiàn)的第三代DNA測(cè)序“長(zhǎng)讀”技術(shù)是彌補(bǔ)8%空缺的“游戲規(guī)則的改變者”。

在T2T聯(lián)盟采用的兩種技術(shù)中，牛津納米孔DNA測(cè)序方法可以一次讀取100萬個(gè)DNA字母，但精度不高；而太平洋生物科學(xué)公司的測(cè)序方法可以一次讀取大約2萬個(gè)字母，精度近乎完美。這兩種測(cè)序方法的優(yōu)勢(shì)“疊加”生成了完整的人類基因組序列。

“這種技術(shù)的進(jìn)步是劃時(shí)代的，就像從蒸汽機(jī)發(fā)展到內(nèi)燃機(jī)再到信息化、智能化的大踏步前進(jìn)?！庇谲娬f，這是獲取完整序列的“后盾”。

“長(zhǎng)讀技術(shù)加上進(jìn)行基因組重建和質(zhì)量評(píng)估的創(chuàng)新方法，是這項(xiàng)努力成功的原因?！盡iga對(duì)記者說。

那么，中國(guó)相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備如何呢？

深圳華大生命科學(xué)研究院群體基因組學(xué)領(lǐng)域首席科學(xué)家金鑫向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示，我國(guó)10年以前基本上依賴國(guó)外的基因測(cè)序設(shè)備，但在2015年開始擁有第一款真正的國(guó)產(chǎn)基因測(cè)序儀，目前擁有一款全球單日數(shù)據(jù)量產(chǎn)出最高的測(cè)序儀。

“在短讀長(zhǎng)（基因序列精讀）部分，我們已經(jīng)做到了與全球領(lǐng)先水平并駕齊驅(qū)，相關(guān)錯(cuò)誤率僅有萬分之一，甚至是十萬分之一?！彼硎?，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常穩(wěn)定。

在長(zhǎng)讀方面，他表示，國(guó)內(nèi)多家機(jī)構(gòu)正處于研發(fā)和追趕的階段，現(xiàn)在也有了一些突破。

神秘的著絲粒

對(duì)于此次人類基因組的新部分，研究人員特別感興趣的是神秘的著絲粒。它們是將兩條染色體連接在一起的密集的DNA束，在細(xì)胞分裂中起著關(guān)鍵作用。

“約90%的新序列實(shí)際上來自染色體的著絲粒。”描述著絲粒周圍堿基對(duì)序列論文的第一作者、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的博士后Nicolas Altemose介紹，著絲粒內(nèi)部及周圍的新DNA序列約占整個(gè)基因組的6.2%。

他和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，著絲粒的大型蛋白質(zhì)復(fù)合物牢牢抓住了染色體，這樣細(xì)胞核內(nèi)的其他機(jī)器就可以將染色體對(duì)分開。“一旦這一過程出錯(cuò)，就會(huì)得到錯(cuò)誤的染色體分離，這將導(dǎo)致各種問題。如果這發(fā)生在減數(shù)分裂中，就意味著可能會(huì)發(fā)生染色體異常，導(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，可能會(huì)導(dǎo)致癌癥。”他說。

他們還以T2T-CHM13為框架，比較了來自世界各地的1600名個(gè)體的著絲粒DNA，發(fā)現(xiàn)了其周圍重復(fù)DNA的序列和拷貝數(shù)的主要差異，這可以用于追溯人類的譜系。

此外，完整的基因組也有助于提高科學(xué)家對(duì)不同人群個(gè)體基因組變異的理解力。

據(jù)介紹，T2T-CHM13將為人類參考基因組38 （GRCh38）提供補(bǔ)充。該基因組起源于人類基因組計(jì)劃，自2000年第一稿以來一直在更新。GRCh38并不代表任何一個(gè)個(gè)體，而是由多個(gè)捐贈(zèng)者的DNA組裝而成，被合并為一個(gè)線性序列。

Miga表示，單個(gè)基因組的成功完成并不是最后的定論。目前，T2T聯(lián)盟已與人類泛基因組參考聯(lián)盟合作，旨在對(duì)350個(gè)個(gè)體進(jìn)行全基因組測(cè)序，并基于此創(chuàng)建一個(gè)新的“人類泛基因組參考”，以“確保準(zhǔn)確地捕獲整個(gè)相關(guān)的基因組”。

于軍則向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示，中國(guó)人的基因組與現(xiàn)有的完整白人基因組序列仍然存在較大差異，他希望我國(guó)盡快發(fā)展三代、四代測(cè)序技術(shù)，測(cè)出完整的中國(guó)人基因組序列。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.abj6987

https://doi.org/10.1126/science.abl3533

https://doi.org/10.1126/science.abj6965

https://doi.org/10.1126/science.abl4178

https://doi.org/10.1126/science.abk3112

https://doi.org/10.1126/science.abj5089

來源： 中國(guó)科學(xué)報(bào)