《自然》：技术的突破！全球首次获得人类X染色体的完整序列

美国国家卫生研究院(NIH)下属的国家人类基因组研究所(NHGRI)的研究人员制造出了第一个人类染色体，从端粒到端粒DNA完整序列。

近日发表在《自然》杂志上的研究结果表明，精确地生成人类染色体的碱基序列现在是可能的，这将使研究人员能够生成完整的人类基因组序列。

"这一成就开启了基因组学研究的新时代，"美国国家基因组研究所主任、医学博士Eric Green说道。"产生真正完整的染色体和基因组序列的能力是一项技术壮举，它将帮助我们获得对基因组功能的全面理解，并为在医疗保健中使用基因组信息提供信息。"

经过近二十年的改进，人类基因组参考序列是迄今为止最准确和完整的脊椎动物基因组序列。然而，其中仍然还有数百个未知的空白或缺失的DNA序列。

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这些缺口通常包含重复的DNA片段，难以测序。然而，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素。

因为人类基因组非常长，由大约60亿个碱基组成，DNA测序机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更小的片段，然后分析每一个片段，每次产生几百个碱基的序列。这些较短的DNA序列必须被重新组合在一起。

国家人类基因组研究所(NHGRI)的资深作者Adam Phillippy博士将这个问题比作解决一个谜题。"想象一下，我们要重建一个拼图游戏。如果你用的是更小的碎片，每一块都包含了更少的背景来找出它的来源，特别是在拼图中没有任何独特线索的部分。人类基因组测序也是如此。直到现在，这些片段都太小了，没有办法把基因组拼图中最难的部分拼在一起。"

在24条人类染色体(包括X和Y)中，研究作者Phillippy和Karen Miga博士选择先完成X染色体序列，因为它与许多疾病有关，包括血友病、慢性肉芽肿病和杜氏肌营养不良。

人类有两套染色体，分别来自父母。例如，女性从生理上继承了两条X染色体，一条来自母亲，另一条来自父亲。然而，这两条X染色体并不完全相同，它们的DNA序列会有许多不同之处。

在这项研究中，研究人员没有对来自正常人类细胞的X染色体进行排序。相反，他们使用了一种特殊的细胞类型--有两个相同的X染色体。这样的细胞比只有一个X染色体副本的男性细胞提供更多的DNA进行测序。它还避免了分析一个典型女性细胞的两个X染色体时遇到的序列差异。

作者和他们的同事们利用了新技术，可以对长段DNA进行测序。他们没有准备和分析小的DNA片段，而是使用了一种保持DNA分子基本完整的方法。然后用两种不同的仪器分析这些大的DNA分子。每一种机器都能产生很长的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的X染色体后，Phillippy和他的团队使用他们新开发的计算机程序将生成的序列的许多片段组合起来。Miga的研究小组致力于缩小X染色体上最大的剩余序列空隙，也就是染色体中间部分被称为着丝粒的约300万个重复DNA碱基。

对于研究人员来说，没有"黄金标准"来批判性地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及其合作者执行了几个验证步骤。

"实际上，我们以前从未在我们的基因组中看到过这些序列，也没有很多工具来测试我们的预测是否正确。这就是为什么让基因组学领域的专家参与进来并确保最终产品的质量是重要的。"

这是端粒到端粒(T2T)联盟更广泛倡议的一部分，部分由NHGRI资助。该联盟的目标是生成一份完整的人类基因组参考序列。

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T2T联盟仍在继续研究剩余的人类染色体，目标是在2020年生成完整的人类基因组序列。

研究人员表示还不知道在新发现的序列中会发现什么，但这是令人兴奋的未知发现。这是一个全基因组序列的时代，他们正全心全意地拥抱它。

潜在的挑战依然存在。例如，1号染色体和9号染色体具有比X染色体大得多的重复DNA片段。

Miga说："我们知道，我们基因组中这些以前未绘制的位点在个体之间有很大的不同，但重要的是要开始弄清楚这些差异是如何影响人类生物学和疾病的。"Phillippy和Miga都认为，加强测序方法将继续在人类遗传学和基因组学领域创造新的机会。

参考资料：

Miga， K.H.， Koren， S.， Rhie， A. et al. Telomere-to-telomere assembly of a complete human X chromosome. Nature (2020). https：//doi.org/10.1038/s41586-020-2547-7

Researchers generate complete human X chromosome sequence

New technique promises more accurate genomes

Ross， M.， Grafham， D.， Coffey， A. et al. The DNA sequence of the human X chromosome. Nature 434， 325-337 (2005). https：//doi.org/10.1038/nature03440