研究完整人類基因組的DNA堿基，以字母A、T、C和G為代表（來(lái)源：NHGRI）
歷時(shí)22年，研究人員終于從頭到尾破譯了完整的人類基因組序列。
鈦媒體App 4月1日消息，據(jù)科技日?qǐng)?bào)，全球頂級(jí)期刊《Science》（科學(xué)）雜志今天凌晨連發(fā)6篇論文報(bào)告，公布了人類基因組測(cè)序的最新進(jìn)展：國(guó)家人類基因組研究中心(NHGRI)組成的端粒到端粒 (T2T) 聯(lián)盟科學(xué)團(tuán)隊(duì)，通過(guò)新的技術(shù)研究出全球第一個(gè)完整的、無(wú)間隙的人類基因組序列，首次揭示了高度相同的節(jié)段重復(fù)基因組區(qū)域及其在人類基因組中的變異。
這是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)人類參考基因組，即2013年發(fā)布的參考基因組序列（GRCh38）的“重大升級(jí)”，增加了之前整條染色體上隱藏的DNA片段，破譯了缺失的大約2億個(gè)DNA堿基對(duì)以及2000多個(gè)新基因——占人類基因組的8%。
這篇研究成果意義重大?？蒲腥藛T揭示的完整人類基因組序列，是世界上最復(fù)雜的謎題之一，這一研究使得人類第一次看到最完整的、無(wú)間隙的DNA堿基基因序列，對(duì)于人類了解基因組變異的全譜，以及某些疾病的遺傳貢獻(xiàn)至關(guān)重要，將會(huì)推動(dòng)與癌癥、出生缺陷和衰老相關(guān)的研究與科學(xué)發(fā)展。
同時(shí)，這也是《Science》創(chuàng)刊141年來(lái)，首次在同一期雜志中連發(fā)6篇論文揭示人類基因組研究。
本論文作者，圣路易斯華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)家Ting Wang（音譯：王庭）表示，此次擁有完整的基因組，一定會(huì)改善生物醫(yī)學(xué)研究?！昂翢o(wú)疑問(wèn)，這是一項(xiàng)重要的成就?！?/p>
據(jù)中國(guó)科學(xué)報(bào)，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表示，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。
“我們看到了以前從未閱讀過(guò)的章節(jié)，”本論文通訊作者，華盛頓大學(xué)霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）研究員Evan Eichler（艾希勒）表示，這是全行業(yè)的一件大事。
Science封面圖
研究人員到底破譯了什么？人類基因組由超過(guò)60億個(gè)獨(dú)立的DNA堿基、大約2-3萬(wàn)個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因（整個(gè)基因仍未有統(tǒng)一答案）組成，與黑猩猩等其他靈長(zhǎng)類動(dòng)物的數(shù)量差不多，分布在23對(duì)染色體上。為了讀取數(shù)以萬(wàn)計(jì)的基因組，科學(xué)家們首先將所有的DNA鏈切成幾百到幾千個(gè)單位長(zhǎng)度的DNA片段。然后用測(cè)序機(jī)器讀取每個(gè)片段中的各個(gè)堿基，科學(xué)家們?cè)噲D按照正確的順序組裝這些片段，就像拼湊一個(gè)復(fù)雜的拼圖。
2001年2月12日，由6國(guó)科學(xué)家共同參與的國(guó)際人類基因組計(jì)劃首次公布人類基因組圖譜及初步分析結(jié)果；2003年4月15日，公布了人類基因組序列草圖。
然而，由于技術(shù)限制，當(dāng)初的人類基因組計(jì)劃留下了大約8%的“空白”間隙。這部分很難被測(cè)序，由高度重復(fù)、復(fù)雜的DNA塊組成，其中包含功能基因以及位于染色體中間和末端的著絲粒和端粒。
實(shí)際上，核心的挑戰(zhàn)在于，基因組的某些區(qū)域反復(fù)重復(fù)相同的堿基。重復(fù)的區(qū)域包括著絲粒和核糖體DNA等，過(guò)去無(wú)法按照正確的順序組裝一些被切碎的片段。這就像擁有相同的拼圖碎片一樣，科學(xué)家們不知道哪塊碎片在哪里，因此基因組圖中留下了很大的空白。
而且大多數(shù)細(xì)胞包含兩個(gè)基因組–一個(gè)來(lái)自父親，一個(gè)來(lái)自母親。當(dāng)研究人員試圖組裝所有的片段時(shí)，來(lái)自父母雙方的序列可能混合在一起，掩蓋了個(gè)體基因組內(nèi)的實(shí)際變異。
如今，研究人員通過(guò)新的納米機(jī)器設(shè)備與核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了新的無(wú)間隙版本T2T-CHM13，由30.55億個(gè)堿基對(duì)和19969個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因組成。增加了近2億個(gè)堿基對(duì)的新DNA序列，包括99個(gè)可能編碼蛋白質(zhì)的基因和其中近2000個(gè)需要進(jìn)一步研究的候選基因。
這些候選基因大多數(shù)是失活的，但其中115個(gè)仍然可能表達(dá)。團(tuán)隊(duì)還在人類基因組中發(fā)現(xiàn)了大約200萬(wàn)個(gè)額外的變異，其中622個(gè)出現(xiàn)在與醫(yī)學(xué)相關(guān)的基因中。此外，新序列還糾正了GRCh38中的數(shù)千個(gè)結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤。
近端著絲粒染色體的顯示圖樣（來(lái)源：論文）
具體而言，新序列填補(bǔ)的空白包括人類5條染色體的整個(gè)短臂，并覆蓋了基因組中一些最復(fù)雜的區(qū)域。其中包括在重要的染色體結(jié)構(gòu)中及其周圍發(fā)現(xiàn)的高度重復(fù)的DNA序列，如染色體末端的端粒和在細(xì)胞分裂過(guò)程中協(xié)調(diào)復(fù)制染色體分離的著絲粒。
此外，新序列還揭示了以前未被發(fā)現(xiàn)的節(jié)段重復(fù)，即在基因組中復(fù)制的長(zhǎng)DNA片段，并揭示了關(guān)于著絲粒周圍區(qū)域的前所未見的細(xì)節(jié)。這一區(qū)域內(nèi)的變異性可能為人類祖先如何進(jìn)化提供新證據(jù)。
值得一提的是，本研究成果的關(guān)鍵進(jìn)展，其實(shí)是利用了新的技術(shù)設(shè)備——英國(guó)牛津納米孔技術(shù)公司和太平洋生物科學(xué)公司制造的快速迭代的基因測(cè)序機(jī)器。
早在2017年，國(guó)家人類基因組研究中心(NHGRI)負(fù)責(zé)人Adam Phillippy（亞當(dāng)·菲利皮），以及加州大學(xué)圣克魯茲分校(UCSC)的凱倫·米加意識(shí)到，新的納米孔機(jī)器實(shí)現(xiàn)了一次準(zhǔn)確讀取100萬(wàn)個(gè)DNA堿基的能力，可以為最終解決基因組難點(diǎn)打開了大門。
大約在同一時(shí)間，華盛頓大學(xué)霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）Evan Eichler（艾希勒）領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，使用太平洋生物科學(xué)公司的設(shè)備技術(shù)，可以解決更復(fù)雜形式的遺傳變異技術(shù)。
因此，三人一起創(chuàng)辦了端粒到端粒（T2T）聯(lián)盟，利用全球約100名科學(xué)家團(tuán)隊(duì)資源，使其加快了研究佳偶。
隨后，該團(tuán)隊(duì)連續(xù)六個(gè)月不間斷地利用快速迭代的納米孔基因測(cè)序機(jī)器，并請(qǐng)來(lái)幾十位科學(xué)家來(lái)組裝這些基因片段并分析結(jié)果。最終利用設(shè)備、技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)讀數(shù)測(cè)序讀數(shù)，并將長(zhǎng)讀測(cè)序與牛津納米孔的數(shù)據(jù)相結(jié)合，準(zhǔn)確率超過(guò)了99%，填補(bǔ)了全球基因?qū)W研究的空白。
一直到2020年夏天，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)拼上了兩條染色體。在新冠疫情爆發(fā)的期間，團(tuán)隊(duì)通過(guò)Slack等通訊工具進(jìn)行遠(yuǎn)程工作，獲得了另外21條染色體，將每個(gè)染色體從一端或端粒排序到另一端。而且，科研人員人員還試圖組裝基因組中最難的區(qū)域，即著絲粒中高度重復(fù)的DNA序列。
最終，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究與團(tuán)隊(duì)合作，該團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)每個(gè)染色體進(jìn)行了測(cè)序，包含了編碼用于制造核糖體的RNA的基因的多個(gè)拷貝，總共400個(gè)。
2021年6月，這份研究成果首次發(fā)表在預(yù)印版平臺(tái)bioRxiv上。經(jīng)過(guò)同行評(píng)議等，如今一系列論文登上了《Science》（科學(xué)）雜志。
研究人員在會(huì)后采訪中表示，下一階段的研究將對(duì)不同人的基因組進(jìn)行測(cè)序，以充分掌握人類基因的多樣性、作用以及人類與近親、其它靈長(zhǎng)類動(dòng)物的關(guān)系。
年增速超20%，中國(guó)百億基因市場(chǎng)前景廣闊隨著生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新的行業(yè)層出不窮，本次研究成果所屬的中國(guó)基因測(cè)序行業(yè)是一個(gè)百億級(jí)市場(chǎng)，擁有廣闊的發(fā)展前景。
根據(jù)千際投行的研究統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，早在2019年，基因測(cè)序所在的全球生物制品行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模就達(dá)到了3172億元，未來(lái)五年有望達(dá)到萬(wàn)億級(jí)別。其中，2019年中國(guó)基因測(cè)序行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模約為149億元，年增速超20%。
近年來(lái)，基因測(cè)序行業(yè)得到迅速發(fā)展，吸引了大量資本和企業(yè)的進(jìn)入。從產(chǎn)業(yè)上下游來(lái)看，基因測(cè)序產(chǎn)業(yè)鏈主要包括了上游儀器、中游服務(wù)提供商以及下游終端應(yīng)用三個(gè)環(huán)節(jié)。涉及到的公司包括華大基因、達(dá)安基因、藥明康德，以及互聯(lián)網(wǎng)巨頭蘋果公司、亞馬遜、谷歌、微軟等。
整個(gè)產(chǎn)業(yè)看似簡(jiǎn)單，但上游的基因測(cè)序儀及配套試劑是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈壁壘最高的部分，下游終端應(yīng)用還涉及領(lǐng)域覆蓋面非常廣，既包括醫(yī)療領(lǐng)域的人體基因組、人體微生物基因組以及基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，還包括非醫(yī)療領(lǐng)域的環(huán)境治理、石油存儲(chǔ)探測(cè)、農(nóng)牧業(yè)配種等。
實(shí)際上，早在幾十年前，醫(yī)學(xué)界就對(duì)此有過(guò)嘗試，將狒狒的心臟移植給了一個(gè)罹患先天性心臟病的孩子。如今，通過(guò)嵌合的方式，通過(guò)基因編輯的方式，甚至是通過(guò)合成生物學(xué)的方式，實(shí)現(xiàn)了豬心臟在人類身上的移植。
華大集團(tuán)CEO尹燁曾表示，其實(shí)，今天人類進(jìn)入了生命時(shí)代，我們關(guān)心的則是自身的基因和健康，以此就將去整合物理世界、信息世界和生命世界。
在應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓寬，測(cè)序能力進(jìn)一步加強(qiáng)的共同促進(jìn)作用下，全球基因測(cè)序行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將不斷增長(zhǎng)，中國(guó)基因行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模雖然與全球頭部企業(yè)差距較大，但是在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中仍然占據(jù)較大的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)要想提高國(guó)際市場(chǎng)份額，還需進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，未來(lái)發(fā)展具有巨大的想象空間。
今天，新的基因組序列研究成果，是科研人員必不可少的第一步，也是實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的重要一步。
Evan Eichler（艾希勒）表示，“現(xiàn)在我們有了一塊羅塞塔石碑（注：一塊制作于公元前196年的花崗閃長(zhǎng)巖石碑，解讀出已經(jīng)失傳千余年的埃及象形文之意義與結(jié)構(gòu)），可以在未來(lái)研究數(shù)十萬(wàn)個(gè)其他基因組的完整編譯?！?/p>
（本文首發(fā)鈦媒體App，作者｜李佳能，編輯｜林志佳）
