科学家研发了基因组测序的新方法，使用该方法可以更快更便宜地从头组装出生物完整的基因组。

来源 ScienceDaily

翻译 吴媛媛

校审 郭思瑶 杨冠男

一个由多家机构组成的团队利用一种新方法完成了传播寨卡病毒的蚊子的基因组测序，该方法能以更低的价格、更快的速度对生物的基因组进行完整测序。

由美国贝勒医学院、莱斯大学、德克萨斯儿童医院、麻省理工大学布罗德研究所以及哈佛大学共同组成的研究小组，开发出一种新型基因组测序方法，它能以更低的价格及更快的速度对生物的基因组进行完整测序。尽管，医疗诊断中所谓的“1000美元全基因组测序”听起来确实很让人兴奋，但是当医生对患者 DNA 进行测序时，仅仅是将患者非常少的一部分 DNA 片段与参考基因组进行比较。而从头开始合成参照基因组完全不同。例如，最初人类基因组计划就花费了10年时间和40亿美元。若我们能够更简单快速地从头开始合成参考基因组，这将使人们更方便地建立患者、肿瘤甚至地球上所有生物的参考基因组。近日，多机构联合参与的团队发布了一种名为“3D基因组装配”的测序方法，它可以完全从头开始创建人类参考基因组，费用低于1万美元。该成果发表于4月7日的《科学》杂志。

为了阐述 3D 基因组装配的强大功能，研究人员组装了携带寨卡病毒的埃及伊蚊（Aedes aegypti）基因组，首次从头到尾组装出了其3条染色体，共包含12亿个碱基。通过鉴别出具有传播寨卡病毒能力的埃及伊蚊的缺陷基因，新合成的基因组将有助于科学家更好地应对寨卡疫情的爆发。

人类基因组是60亿个“化学字母”——碱基对的排列，存储于23对染色体中。尽管 DNA 测序成本下降，但是由于染色体有数十亿个碱基对，从头开始组装并确定每条染色体序列的过程仍然极其昂贵。相比之下，现有的低价 DNA 测序技术都是仅检测较短序列或几百个碱基对长度的 DNA 片段，然后与已有的参考基因组进行比较。实际上，从头合成一个参考基因组并全部装配成长染色体需要结合许多不同的技术，共计耗资数十万美元。遗憾的是，人与人之间的基因组存在差异，如果在诊断过程中全部使用来自单一个体的、相同的参考基因组作为对照，很可能会掩盖患者真正的遗传学病因。

德克萨斯儿童医院参与全球儿科卫生项目的医学科学家，同时也是这项研究的共同作者 Aviva Presser Aiden 博士说：“作为医生，我们有时会遇到很可能携带某类遗传变异的患者，但我们却无法找到那个变异。为了弄清楚变异情况，我们需要能报告病人完整基因组的技术。但我们根本无法承担基因组测序每人数百万元的费用。”

为了应对这一挑战，研究小组开发了一种称为“3D装配”的新方法，它能通过染色体在细胞核内的折叠方式来确定每条染色体的序列。

 “我们的方法与传统基因组装配完全不同。”美国贝勒医学院基因组结构中心的博士后研究员 Olga Dudchenko 说，“几年前，我们团队开发的实验方法让我们确定了2米长的人类基因组是如何折叠放入细胞核的。如今我们的新研究发现，这些折叠模式不仅可以描绘核内基因组折叠的轮廓，还可以引导我们了解基因组内部的 DNA 序列。”

通过仔细观察基因组的折叠情况，研究小组发现他们可以将读取的数以亿计的短 DNA 片段拼接成完整的染色体序列。由于该方法只需要短序列组装，因此它显著降低了从头组装基因组的成本，很有可能加速全基因组测序的临床应用进程。莱斯大学理论生物物理中心研究人员 Dudchenko 说：“使用3D装配为病人进行全基因组测序成本极低，与核磁共振成像(MRI) 差不多。这意味着为患者做全基因组测序即将成为现实。”

与如今临床所使用的基因检测不同，从头装配患者的基因组并不依赖于人类基因组计划产生的参考基因组。“我们的新方法不依赖于曾经被测序过的任何个体或物种。只要你愿意，你可以在任何时间任何人身上完成人类基因组计划。” Dudchenko 说道。

美国贝勒医学院基因组结构中心主管及这项研究的通讯作者Erez Lieberman Aiden博士认为：“因为基因组可被从头合成，所以3D装配可以被运用到许多物种身上，从灰熊到番茄，你想测什么都行。而且这方法相当简单，一个上进的高中生仅仅用一场科学展览的成本就能够在实验室里组装出某现有物种的高质量参考基因组，譬如蝴蝶。”

埃及伊蚊携带的寨卡病毒的爆发增加了该项研究的紧迫性。研究人员希望通过检测该类蚊子的基因组来找到一个抵御此疫情的方法，但是人们还不太了解埃及伊蚊基因组的特征，并且它的染色体比人类的长很多。

理论生物物理中心的高级研究员，莱斯大学计算机科学同时也是美国贝勒医学院分子和人类遗传学助理教授 Lieberman Aiden 表示：“多年来我们一直在探讨，写了许多代码也做了装配的原理论证，所以我们获得了埃及伊蚊基因组的装配数据，就存在我们的电脑里。寨卡病毒突然爆发了，基因组学研究团体立即着手于伊蚊的研究。这是一个转折点。”

 “随着寨卡病毒的爆发，我们意识到要竭尽全力尽可能快地将伊蚊的基因组装配和我们的方法共享出来。从头开始的基因组装配只是对抗寨卡病毒的第一步，但这确实有助于基因组研究团体的研究。”

该团队也装配了致倦库蚊（Culex quinquefasciatus）的基因组，它是西尼罗河病毒的主要传播媒介。Lieberman Aiden 说道：“库蚊的基因组序列也非常有必要获得，因为它会传播很多疾病。纠结于首先检测哪种生物的基因组序列是徒劳的。相反，我们应该能够快速地应对突发事件：无论是需要急诊的病人还是流行病的突然爆发，这些方法都能让我们在数天而非数年内从头组装出基因组。”

原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2017/03/170324104948.htm

论文基本信息

【题目】De novo assembly ofthe Aedes aegypti genome using Hi-C yields chromosome-lengthscaffolds.

 【作者】Olga Dudchenko, Sanjit S. Batra, Arina D. Omer, SarahK. Nyquist, Marie Hoeger, Neva C. Durand, Muhammad S. Shamim, Ido Machol, EricS. Lander, Aviva Presser Aiden, Erez Lieberman Aiden

【刊期】Science

【日期】Apr. 07. 2017

【DOI】http://dx.doi.org/10.1126/science.aal3327

【摘要】The Zika outbreak, spread by the Aedes aegyptimosquito, highlights the need to create high-quality assemblies of largegenomes in a rapid and cost-effective way. Here we combine Hi-C data withexisting draft assemblies to generate chromosome-length scaffolds. We validatethis method by assembling a human genome, de novo, from short reads alone (67×coverage). We then combine our method with draft sequences to create genomeassemblies of the mosquito disease vectors Aeaegypti and Culexquinquefasciatus, each consisting of three scaffolds corresponding to the threechromosomes in each species. These assemblies indicate that almost all genomicrearrangements among these species occur within, rather than between,chromosome arms. The genome assembly procedure we describe is fast,inexpensive, and accurate, and can be applied to many species.

【链接】http://science.sciencemag.org/content/356/6333/92.long

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