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20年磨一劍:納米技術(shù)完全測(cè)序人類X染色體

2020/07/25
導(dǎo)讀
真正完成人類基因組測(cè)序的時(shí)代已經(jīng)觸手可及

圖源:pixabay

 

撰文|陳抒寧

責(zé)編|何義均

 
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人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)于1990年,如今已匆匆過去30年光景。從2000年人類基因組草圖宣告完成后的二十年間,人類參考基因組不斷更新迭代。即便如此,其中依然存在數(shù)以百計(jì)的空缺,尚無一條染色體被真正完成 [1]。
 
如今,科學(xué)家首次完成了一條 “從頭到尾” 真正完整的人類染色體測(cè)序。7月14日,《自然》雜志上刊載了美國加利福尼亞大學(xué)圣克魯茲分校的 Karen Miga 教授團(tuán)隊(duì)的研究成果 [2]。該團(tuán)隊(duì)使用最新的納米孔測(cè)序技術(shù),首次完成了從端粒到端粒、完整無缺的人類X染色體序列。這或許意味著,真正完成人類基因組測(cè)序的時(shí)代已經(jīng)觸手可及。
 

1


霰彈槍、拼圖與地圖上的空缺

 
過去,人類基因組計(jì)劃使用的測(cè)序方法只能用來測(cè)定較短的DNA序列,長度在100到1000個(gè)堿基對(duì)間。因此,較長的序列被剪切成末端重復(fù)的碎片,并依靠這些重復(fù)的部分將碎片重新組裝成完整的序列。這種測(cè)序方法也被形象地稱為 “霰彈槍測(cè)序法”。
 
這種方法重建基因組的最大挑戰(zhàn)在于如何區(qū)分重復(fù)的序列 [3]。人類基因中有大量重復(fù)的序列,這使得測(cè)定出來的許多短鏈幾乎一模一樣,既難以拼接,也難以判斷到底存在多少個(gè)重復(fù)區(qū)段。就像拼圖中我們往往把天空或湖水的部分留到最后,因?yàn)樵诖笃耐珘K里,我們便難以確認(rèn)具體某塊拼圖的位置一樣。
 
現(xiàn)在參考基因組中的空缺包括核糖體DNA序列,著絲粒(在細(xì)胞分裂時(shí)連接兩條染色體單體的部位,它們將染色體分為長臂和短臂)中高度重復(fù)的DNA序列,此外,還有一些富含重復(fù)片段的區(qū)域,這些重復(fù)片段動(dòng)輒有超過數(shù)十萬堿基對(duì),重復(fù)率超過98% [2]?!澳壳盎蚪M圖譜上缺失的部分,也恰是在人群中序列變異最多的部分,也因此為基因生物學(xué)和人類疾病的研究提供了未經(jīng)探索的序列。完整的基因組圖譜有潛力加深我們對(duì)遺傳疾病的了解。而我們選擇X染色體的研究正是因?yàn)樗蜔o數(shù)的疾病有關(guān),其中包括血友病,慢性肉芽腫性疾病和杜氏肌營養(yǎng)不良。” Miga 教授告訴《知識(shí)分子》。

 


2


基因的 “安檢儀”


要應(yīng)對(duì)黑暗區(qū)域的挑戰(zhàn)有兩種途徑:要么測(cè)的序列長到可以覆蓋一整個(gè)重復(fù)部分;要么測(cè)序足夠精確,可以通過區(qū)分獨(dú)特的變量來區(qū)分重復(fù)的序列 [4]。最新的納米孔測(cè)序技術(shù)為超長測(cè)序提供了可能。

圖1:DNA通過納米孔,隨著G、A、T、C堿基以不同的序列通過,電流也產(chǎn)生不同的變化(來源:參考文獻(xiàn)5)

 
在實(shí)驗(yàn)中,研究人員讓DNA鏈通過一個(gè)嵌在電阻膜上的納米孔,就像行李通過X光安檢儀一樣,“掃描” 出DNA上的堿基序列。在測(cè)序時(shí),電阻膜被浸入電解質(zhì)溶液中,并讓離子電流通過納米孔,當(dāng)DNA鏈上不同的堿基通過納米孔時(shí),會(huì)對(duì)這個(gè)電流產(chǎn)生干擾。通過解碼這些電流信號(hào),研究人員就可以測(cè)得特定的DNA或RNA片段。
 
納米孔技術(shù)不僅可以實(shí)時(shí)分析長DNA片段,而且理論上不再有DNA的長度限制。Miga 教授告訴《知識(shí)分子》,“如果你能讓一條百萬堿基對(duì)長的DNA通過納米孔,它就能識(shí)別整條序列。使用了這種超長測(cè)序技術(shù)后,我們可以獲得一個(gè)非常非常長鏈的(超過十萬堿基對(duì))、高覆蓋率的數(shù)據(jù)庫,從而幫助我們跨越和準(zhǔn)確拼裝富含重復(fù)序列的安檢儀?!?/span>
 

3


新的里程碑

 
Miga 教授和她的團(tuán)隊(duì)完成的X染色體序列完整無缺,且估算有至少99.99%的準(zhǔn)確率,這意味著平均每1萬堿基對(duì)才有一個(gè)錯(cuò)誤。在對(duì)X染色體的研究中,Miga教授和她的團(tuán)隊(duì)重建了約2.8兆堿基對(duì)的著絲粒中的DNA序列,并且填補(bǔ)了X染色體所剩的29個(gè)空缺部分,包括擬常染色體區(qū)域和CT抗原基因家族中的新序列,CT抗原基因家族是一種腫瘤特異性抗原,有望用作癌癥的免疫治療 [2]。

 
加利福尼亞大學(xué)圣克魯茲分校的助理研究科學(xué)家 Jain Miten 告訴《知識(shí)分子》,“端粒到端粒的完整染色體測(cè)序是基因組學(xué)里程碑式的時(shí)刻,而超長測(cè)序的技術(shù)和算法的發(fā)展是使之得以實(shí)現(xiàn)的主要因素之一。了解這些曾是未知的‘黑暗區(qū)域’的序列結(jié)構(gòu)和表觀基因序列圖譜,會(huì)為生物學(xué)帶來新的視角。同時(shí),這也是一個(gè)分階段的,端粒到端粒的,完整基因組時(shí)代到來的界標(biāo)。”
 
接下來,Miga 教授和她的團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)致力于從人類基因組剩余的 “處女地” 上捕捉新的序列和表觀基因的變異。Miga 教授表示:“我們目前已經(jīng)有了巨大的進(jìn)展,并且希望可以在不遠(yuǎn)的未來和公眾分享。我們發(fā)現(xiàn)有一些特定的染色體比其他的更容易組裝(比如8號(hào)和6號(hào))。最難的染色體是帶著幾乎相同的核糖體DNA序列的近端著絲粒染色體如13、14、15、21和22號(hào)。同時(shí)我們也需要開發(fā)新的技術(shù)來面對(duì)1號(hào)、9號(hào)和16號(hào)染色體上大型人類衛(wèi)星DNA序列的挑戰(zhàn)。” 

 參考資料

[1] Jain, Miten, S Koren, J Quick, Ac Rand, Ta Sasani, Jr Tyson, Ad Beggs, et al. “Nanopore Sequencing and Assembly of a Human Genome with Ultra-Long Reads.” Nature Biotechnology, 2017. https://doi.org/10.1101/128835.

[2] Miga, Karen H., Sergey Koren, Arang Rhie, Mitchell R. Vollger, Ariel Gershman, Andrey Bzikadze, Shelise Brooks, et al. “Telomere-to-Telomere Assembly of a Complete Human X Chromosome.” Nature, July 14, 2020. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2547-7.

[3] Staden, R. “A Strategy of DNA Sequencing Employing Computer Programs.” Nucleic Acids Research 6, no. 7 (June 11, 1979): 2601–10. https://doi.org/10.1093/nar/6.7.2601.

[4] Nagarajan, Niranjan, and Mihai Pop. “Sequence Assembly Demystified.” Nature Reviews Genetics 14, no. 3 (2013): 157–67. https://doi.org/10.1038/nrg3367.

[5] Deamer, David, Mark Akeson, and Daniel Branton. “Three Decades of Nanopore Sequencing.” Nature Biotechnology 34, no. 5 (May 6, 2016): 518–24.



 制版編輯 | 皮皮魚

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