人類基因組草圖再添細(xì)節(jié) X染色體被無死角解碼

本報記者 張 曄

這是基因測序技術(shù)的一小步，卻有可能是人類基因工程學(xué)發(fā)展的一大步。

近日，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）人類基因組研究所（NHGRI）的研究人員宣布，終于獲得了人類X染色體的完整、無間隙、端對端的序列信息。

這一突破性發(fā)現(xiàn)公布在《自然》雜志上，這表明有可能生成一個人類染色體的精確堿基序列，產(chǎn)生人類基因組的完整序列。NHGRI主任、醫(yī)學(xué)博士埃里克·格林說：“這項成就開啟了基因組學(xué)研究的新紀(jì)元?！?/p>

耗資30億美元、于1990年啟動的人類基因組計劃，經(jīng)過十年努力，在2000年繪制出首個人類基因組工作草圖。這是有史以來最準(zhǔn)確、最完整的脊椎動物基因組序列。

但是，承載人類遺傳密碼的“密卷”并未被百分之百地破譯，仍然存在大量未知的缺口。這些缺口為什么遲遲不能補(bǔ)上？這次幫助科學(xué)家獲得X染色體完整序列的是什么基因測序技術(shù)？剩余的基因序列空白，能夠順利補(bǔ)上嗎？

給人類基因組測序就像在拼圖

如果你家里有小朋友，或者你就是一個拼圖愛好者，挑戰(zhàn)更多片數(shù)、更大畫幅的拼圖一定是你追逐的目標(biāo)。

但是，你想過嗎，有一群不同國別的科學(xué)家也在挑戰(zhàn)一幅巨大的拼圖，而這幅“拼圖”可能包含的碎片高達(dá)數(shù)十億片。這幅巨大的“拼圖”實際上就是全球許多機(jī)構(gòu)和科學(xué)家多年來一直在努力完成的作品，也就是人類基因組圖譜。

DNA（脫氧核糖核酸）片段儲存著生命的種族、血型及孕育、生長、凋亡等過程的全部信息。生物體的生、長、衰、病、老、死等一切生命現(xiàn)象都與DNA有關(guān)。

人類基因組非常長，包含約30億個堿基對。通過定位這些堿基對在DNA鏈上的準(zhǔn)確位置，進(jìn)而識別分析出各種基因及其功能，將使人類最終征服癌癥、心臟病、阿爾茨海默癥等多種頑疾。

需要說明的是，人類基因組并非對某一個人進(jìn)行測序研究。人類的基因大體相似，無論你是男是女，黃皮膚還是藍(lán)眼睛。但是，每個人都有自己的基因組“副本”，而且每個“副本”都略有不同。

因此，在基因組研究中，通常會采用“參考基因組”的概念。參考基因組是一個由科學(xué)家組裝的核酸序列數(shù)據(jù)庫，作為物種的一個基因組參考模版。

基因組參考聯(lián)盟（GRC）負(fù)責(zé)對參考基因組進(jìn)行不定期更新。但目前參考基因組仍然不完整，其中的DNA序列存在許多缺口等待著填補(bǔ)。

“由于人類基因組太長了，目前任何測序技術(shù)都無法一次性讀取所有的序列信息。因此，科學(xué)家只能把基因組打碎成一個個小片段進(jìn)行測序，最后再組裝起來。”南京醫(yī)科大學(xué)生物信息學(xué)系主任汪強(qiáng)虎教授說，在外人看來，這些科學(xué)家所做的工作就像是在“拼圖”。

在這幅“拼圖”中，有許多重復(fù)的序列。由于測序技術(shù)只能完成短片段讀取，重復(fù)序列就會導(dǎo)致許多看起來幾乎完全相同的短片段出現(xiàn)?！斑@就好比拼圖中的藍(lán)天、草原，其中的每一小塊都是藍(lán)色或綠色，但又沒有線索告訴我們這些片段如何拼接在一起?！蓖魪?qiáng)虎說，這就帶來了許多缺口。

首先攻下的為何是特殊的X染色體

眾所周知，人的細(xì)胞中有一個細(xì)胞核，細(xì)胞核的遺傳物質(zhì)在23對染色體上，其中有一對是性染色體。如果是女性，這對性染色體就是XX，但如果是男性，就是XY。而每個人的性染色體一半來自父親一半來自母親。

“科學(xué)家選擇X染色體進(jìn)行補(bǔ)缺測序是有原因的?！蓖魪?qiáng)虎說，X染色體在23對染色體中長度中等，但是又包含許多遺傳信息，一旦能將X染色體完整測序，也將為今后其他染色體的完整測序提供參考。

“這并非說Y染色體就不重要。”汪強(qiáng)虎說，Y染色體有27個特別的編碼基因，是X染色體沒有的，從這點看，男孩要比女孩多27個來自爸爸的編碼基因。

今年2月告破的28年前南京醫(yī)科大學(xué)女學(xué)生遇害案件，就是依靠Y-STR家系排查技術(shù)，先通過Y染色體分析找到家族，再通過采集嫌疑人家族中11名男性口腔拭子并進(jìn)行DAN比對，確認(rèn)罪犯。

“Y染色體為男性特有，只能來自于父親的遺傳，有點類似古人說的‘一脈相承’?！蓖魪?qiáng)虎告訴記者，就是爺爺傳給父親，父親傳給兒子。因此，一個家族里只要對一位男性的Y染色體進(jìn)行了檢測，也就基本知道這個家族里其他男性的Y染色體什么樣。

女性會繼承兩條X染色體，一條來自母親，一條來自父親。但是，這兩條X染色體并不相同，它們的DNA序列包含許多差異。

在這項研究中，研究人員沒有對人類正常細(xì)胞的X染色體進(jìn)行測序。而是選用了一種特殊的雌性細(xì)胞——具有兩條來源相同的X染色體。與僅具有X染色體單拷貝的雄性細(xì)胞相比，這種細(xì)胞可提供更多的DNA進(jìn)行測序。它還可以避免分析典型雌性細(xì)胞的兩個X染色體時遇到的序列差異。

納米孔技術(shù)是X染色體測序最大功臣

與20年前獲得的人類基因組草圖相比，這次科學(xué)家將X染色體完整測序，最大功臣就是納米孔測序技術(shù)。

“這是一種第三代測序技術(shù)?！睋?jù)汪強(qiáng)虎介紹，1996年美國哈佛大學(xué)的丹尼爾·布蘭頓、加州大學(xué)的大衛(wèi)·迪默及其同事，在美國《國家科學(xué)院院刊》雜志上首次發(fā)表文章指出，可以用膜通道檢測多核酸序列，成為納米孔測序技術(shù)的起源。

此次研究使用的是一種特殊的納米孔測序儀，它通過檢測單個DNA分子通過膜上的小孔（納米孔）時電流的變化，對DNA進(jìn)行測序。

“納米孔測序技術(shù)可以獲得包含數(shù)十萬個堿基對的‘超長讀取’，這樣的長度可以跨越整個重復(fù)區(qū)域，從而繞過了一些復(fù)雜的挑戰(zhàn)。”汪強(qiáng)虎告訴記者，第一代基因測序技術(shù)一次只能讀取幾百個堿基對，近二十年來測序技術(shù)取得長足進(jìn)步，讓那些曾經(jīng)被認(rèn)為十分棘手的重復(fù)序列測序，變得相對容易。

“這一成果無疑是個里程碑。”汪強(qiáng)虎表示，通過分析X染色體的基因信息，科學(xué)家或?qū)⒑芸旃タ艘恍?fù)雜疑難疾病。

比如X染色體上有著名的基因F8（凝血因子8）和F9(凝血因子9），凝血因子8和9缺乏會導(dǎo)致血友病。

因為男性只有一條X染色體，一旦出現(xiàn)問題，就無法正常產(chǎn)生凝血因子8和9。這也是為何血友病通常發(fā)生在男性身上的原因：女性帶有兩條X染色體，如果有一條染色體出現(xiàn)問題，而另一條正常，通常不會出現(xiàn)血友病的病癥，但是會遺傳給下一代。

汪強(qiáng)虎認(rèn)為，新的人類基因組序列填補(bǔ)了目前人類參考基因組中的許多缺口，為基因組研究開辟了新的領(lǐng)域。但潛在的挑戰(zhàn)依然存在，比如，1號染色體和9號染色體的重復(fù)DNA片段比X染色體上的要長得多?？茖W(xué)家接下來計劃繼續(xù)努力彌合更多未知的缺口區(qū)域。

與此同時，針對中國人的多個基因組計劃也在實施之中，汪強(qiáng)虎介紹說：“目前人類參考基因組是以歐美人群為藍(lán)本，但是歐美人群與中國人的基因還存在細(xì)微差別。例如中國工程院院士、南京醫(yī)科大學(xué)沈洪兵教授課題組通過全基因組關(guān)聯(lián)研究，找到與中國人肺癌有關(guān)的19個易感基因，作為中國人群肺癌多基因遺傳風(fēng)險評估指標(biāo)，可實現(xiàn)前瞻性預(yù)防?！?/p>