超快、超便宜的基因組測序新方法——3D基因組裝配，成本不到1萬美金

科學家研發了基因組測序的新方法，使用該方法可以更快更便宜地從頭組裝出生物完整的基因組。

來源 ScienceDaily

翻譯 吳媛媛

校審 郭思瑤 楊冠男

一個由多家機構組成的團隊利用一種新方法完成了傳播寨卡病毒的蚊子的基因組測序，該方法能以更低的價格、更快的速度對生物的基因組進行完整測序。

由美國貝勒醫學院、萊斯大學、德克薩斯兒童醫院、麻省理工大學布羅德研究所以及哈佛大學共同組成的研究小組，開發出一種新型基因組測序方法，它能以更低的價格及更快的速度對生物的基因組進行完整測序。儘管，醫療診斷中所謂的「1000美元全基因組測序」聽起來確實很讓人興奮，但是當醫生對患者 DNA 進行測序時，僅僅是將患者非常少的一部分 DNA 片段與參考基因組進行比較。而從頭開始合成參照基因組完全不同。例如，最初人類基因組計劃就花費了10年時間和40億美元。若我們能夠更簡單快速地從頭開始合成參考基因組，這將使人們更方便地建立患者、腫瘤甚至地球上所有生物的參考基因組。近日，多機構聯合參與的團隊發布了一種名為「3D基因組裝配」的測序方法，它可以完全從頭開始創建人類參考基因組，費用低於1萬美元。該成果發表於4月7日的《科學》雜誌。

為了闡述 3D 基因組裝配的強大功能，研究人員組裝了攜帶寨卡病毒的埃及伊蚊（Aedes aegypti）基因組，首次從頭到尾組裝出了其3條染色體，共包含12億個鹼基。通過鑒別出具有傳播寨卡病毒能力的埃及伊蚊的缺陷基因，新合成的基因組將有助於科學家更好地應對寨卡疫情的爆發。

人類基因組是60億個「化學字母」——鹼基對的排列，存儲於23對染色體中。儘管 DNA 測序成本下降，但是由於染色體有數十億個鹼基對，從頭開始組裝並確定每條染色體序列的過程仍然極其昂貴。相比之下，現有的低價 DNA 測序技術都是僅檢測較短序列或幾百個鹼基對長度的 DNA 片段，然後與已有的參考基因組進行比較。實際上，從頭合成一個參考基因組並全部裝配成長染色體需要結合許多不同的技術，共計耗資數十萬美元。遺憾的是，人與人之間的基因組存在差異，如果在診斷過程中全部使用來自單一個體的、相同的參考基因組作為對照，很可能會掩蓋患者真正的遺傳學病因。

德克薩斯兒童醫院參與全球兒科衛生項目的醫學科學家，同時也是這項研究的共同作者 Aviva Presser Aiden 博士說：「作為醫生，我們有時會遇到很可能攜帶某類遺傳變異的患者，但我們卻無法找到那個變異。為了弄清楚變異情況，我們需要能報告病人完整基因組的技術。但我們根本無法承擔基因組測序每人數百萬元的費用。」

為了應對這一挑戰，研究小組開發了一種稱為「3D裝配」的新方法，它能通過染色體在細胞核內的摺疊方式來確定每條染色體的序列。

「我們的方法與傳統基因組裝配完全不同。」美國貝勒醫學院基因組結構中心的博士後研究員 Olga Dudchenko 說，「幾年前，我們團隊開發的實驗方法讓我們確定了2米長的人類基因組是如何摺疊放入細胞核的。如今我們的新研究發現，這些摺疊模式不僅可以描繪核內基因組摺疊的輪廓，還可以引導我們了解基因組內部的 DNA 序列。」

通過仔細觀察基因組的摺疊情況，研究小組發現他們可以將讀取的數以億計的短 DNA 片段拼接成完整的染色體序列。由於該方法只需要短序列組裝，因此它顯著降低了從頭組裝基因組的成本，很有可能加速全基因組測序的臨床應用進程。萊斯大學理論生物物理中心研究人員 Dudchenko 說：「使用3D裝配為病人進行全基因組測序成本極低，與核磁共振成像(MRI) 差不多。這意味著為患者做全基因組測序即將成為現實。」

與如今臨床所使用的基因檢測不同，從頭裝配患者的基因組並不依賴於人類基因組計劃產生的參考基因組。「我們的新方法不依賴於曾經被測序過的任何個體或物種。只要你願意，你可以在任何時間任何人身上完成人類基因組計劃。」 Dudchenko 說道。

美國貝勒醫學院基因組結構中心主管及這項研究的通訊作者Erez Lieberman Aiden博士認為：「因為基因組可被從頭合成，所以3D裝配可以被運用到許多物種身上，從灰熊到番茄，你想測什麼都行。而且這方法相當簡單，一個上進的高中生僅僅用一場科學展覽的成本就能夠在實驗室里組裝出某現有物種的高質量參考基因組，譬如蝴蝶。」

埃及伊蚊攜帶的寨卡病毒的爆發增加了該項研究的緊迫性。研究人員希望通過檢測該類蚊子的基因組來找到一個抵禦此疫情的方法，但是人們還不太了解埃及伊蚊基因組的特徵，並且它的染色體比人類的長很多。

理論生物物理中心的高級研究員，萊斯大學計算機科學同時也是美國貝勒醫學院分子和人類遺傳學助理教授 Lieberman Aiden 表示：「多年來我們一直在探討，寫了許多代碼也做了裝配的原理論證，所以我們獲得了埃及伊蚊基因組的裝配數據，就存在我們的電腦里。寨卡病毒突然爆發了，基因組學研究團體立即著手於伊蚊的研究。這是一個轉折點。」

「隨著寨卡病毒的爆發，我們意識到要竭盡全力儘可能快地將伊蚊的基因組裝配和我們的方法共享出來。從頭開始的基因組裝配只是對抗寨卡病毒的第一步，但這確實有助於基因組研究團體的研究。」

該團隊也裝配了致倦庫蚊（Culex quinquefasciatus）的基因組，它是西尼羅河病毒的主要傳播媒介。Lieberman Aiden 說道：「庫蚊的基因組序列也非常有必要獲得，因為它會傳播很多疾病。糾結於首先檢測哪種生物的基因組序列是徒勞的。相反，我們應該能夠快速地應對突發事件：無論是需要急診的病人還是流行病的突然爆發，這些方法都能讓我們在數天而非數年內從頭組裝出基因組。」

論文基本信息

【題目】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.

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

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！