Science封面：20年后，人類基因組計(jì)劃終于完整了

本周五，最新一期 Science 雜志同時(shí)發(fā)表了六篇文章，并以封面形式介紹了人類基因組計(jì)劃的最新成果。這也是時(shí)隔二十多年后，人類基因組計(jì)劃的全新里程碑：一份更完整的人類基因組。

二十多年前完成的人類基因組計(jì)劃，其實(shí)遺漏了大約 8%的 DNA 序列。這些遺漏的部分，主要是 DNA 序列高度重復(fù)的染色體中間部分的著絲粒、末端的端粒（在很大程度上之前被視為垃圾）。二十多年來，研究人員認(rèn)為，這些區(qū)域可能在進(jìn)化和疾病中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

在這次發(fā)表的最新成果中，由大約 100 名科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)首次完成了對整個(gè)人類基因組的完整測序，并將完整結(jié)果發(fā)表在 Science 雜志上。

研究人員表示，完成完整的人類基因組測序是一項(xiàng)重要科學(xué)成就，為了解人類 DNA 提供了首個(gè)全面視角。這些最基本的信息將增進(jìn)對人類基因組所有細(xì)微功能差別的了解，促進(jìn)對人類疾病的基因研究。

生命科學(xué)的“登月計(jì)劃”

人類基因組計(jì)劃（Human Genome Project, HGP）是一項(xiàng)規(guī)模宏大，跨國跨學(xué)科的科學(xué)探索工程。其宗旨在于測定組成人類染色體（指單倍體）中所包含的 30 億個(gè)堿基對組成的核苷酸序列，從而繪制人類基因組圖譜，并且辨識其載有的基因及其序列，達(dá)到破譯人類遺傳信息的最終目的。

人類基因組計(jì)劃由美國科學(xué)家于 1985 年率先提出，于 1990 年正式啟動(dòng)的。美國、英國、法國、德國、日本和我國科學(xué)家共同參與了這一預(yù)算達(dá) 30 億美元的人類基因組計(jì)劃。截止到 2003 年 4 月 14 日，人類基因組計(jì)劃的測序工作已經(jīng)完成。其中，2001 年人類基因組工作草圖的發(fā)表被認(rèn)為是人類基因組計(jì)劃成功的里程碑。

人類基因組計(jì)劃與曼哈頓原子彈計(jì)劃和阿波羅計(jì)劃并稱為三大科學(xué)計(jì)劃，是人類科學(xué)史上的又一個(gè)偉大工程，被譽(yù)為生命科學(xué)的“登月計(jì)劃”。

人類基因組分布在 23 對染色體中，由超過 60 億個(gè)單獨(dú)的 DNA 堿基組成，與黑猩猩等其他靈長類動(dòng)物的數(shù)量大致相同。為了讀取基因組，科學(xué)家首先將所有 DNA 切成數(shù)百到數(shù)千個(gè)字母長的片段，然后測序機(jī)器讀取每個(gè)片段中的單個(gè)字母，然后再試圖以正確的順序組裝這些字母，就像拼一個(gè)復(fù)雜的拼圖一樣。

（來源：Pixabay）

但是，這里面的一個(gè)挑戰(zhàn)是基因組的某些區(qū)域一遍又一遍地重復(fù)相同的字母。重復(fù)區(qū)域包括著絲粒，這是將兩條染色體連接在一起并在細(xì)胞分裂中起關(guān)鍵作用的部分，以及為細(xì)胞蛋白質(zhì)工廠提供指令的核糖體 DNA。還有其他重復(fù)部分包括可能幫助物種適應(yīng)環(huán)境的新基因。

正是由于這些DNA的重復(fù)，使得在人類基因組測序時(shí)無法以正確的順序組裝一些 DNA 片段。另一個(gè)障礙是，大多數(shù)細(xì)胞包含兩個(gè)基因組——一個(gè)來自父親，一個(gè)來自母親。當(dāng)研究人員試圖組裝所有片段時(shí)，來自每個(gè)親本的序列可能混合在一起，從而掩蓋了每個(gè)單獨(dú)基因組中的實(shí)際變異。

雖然人類基因組計(jì)劃在 2003 年取得了巨大成功，但實(shí)際上，離最終的勝利還差一點(diǎn)點(diǎn)。由超過 8% 的基因組并沒有被解讀，這些缺失的部分包含高度重復(fù)的序列，并在很大程度上被視為“垃圾”。

但實(shí)際上并非如此，華盛頓大學(xué)霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）研究員 Eichler 說， “事實(shí)證明，我感興趣的許多地區(qū)都在缺口中?！?/p>

首個(gè)完整的人類基因組

隨著基因測序技術(shù)的快速發(fā)展，科學(xué)家們意識到，最新的測序儀擁有一次準(zhǔn)確讀取上百萬堿基 DNA 片段的能力，這為最終解決基因組難題打開了大門。

于是，由美國國家人類基因組研究所、加利福尼亞大學(xué)圣克魯斯分校、華盛頓大學(xué)等機(jī)構(gòu)研究人員領(lǐng)銜的國際科研團(tuán)隊(duì)組成“端粒到端粒聯(lián)盟（T2T）”，對人類基因組進(jìn)行完整的、無間隙測序。

研究人員表示，人類基因組含有約 30 億個(gè) DNA（脫氧核糖核酸）堿基對，完成這些堿基對的完整、無間隙測序?qū)τ诹私馊祟惢蚪M變異全譜、掌握基因?qū)δ承┘膊〉挠绊懼陵P(guān)重要。

（來源：Pixabay）

在《科學(xué)》雜志發(fā)表的六篇論文中，研究人員還深入尋找了生命基因天數(shù)的生物學(xué)意義。例如，研究團(tuán)隊(duì)在著絲粒和其它預(yù)期發(fā)現(xiàn)了出乎意料的高水平遺傳變異。

共同領(lǐng)導(dǎo) T2T 工作的 Miga 表示，這些數(shù)據(jù)為研究著絲粒提供了新時(shí)代的基礎(chǔ)，科學(xué)家們現(xiàn)在將能夠探索這些新發(fā)現(xiàn)的變異，如何導(dǎo)致疾病，以及著絲粒 DNA 如何隨著時(shí)間變化。

研究結(jié)果還揭示了基因變異的更復(fù)雜模式，這有助于解釋人類的快速進(jìn)化，也有助于創(chuàng)造人類物種。研究人員解釋，完整的基因組序列表明，一些與更大的大腦相關(guān)的基因是高度可變的。一個(gè)人可能有十個(gè)特定基因的拷貝，而其他人可能只有一兩個(gè)。

研究人員表示，單個(gè)基因組的成功完成并不是硬道理。聯(lián)盟成員已經(jīng)在努力對一個(gè)基因組進(jìn)行測序，該基因組具有從每個(gè)父母那里繼承的不同染色體。他們還開始了一項(xiàng)泛基因組工作，以讀取來自世界各地的數(shù)百人的整個(gè) DNA 序列?！澳繕?biāo)是創(chuàng)建盡可能完整的人類基因組，代表更多的人類多樣性。”該項(xiàng)目聯(lián)合負(fù)責(zé)人 Jarvis 解釋道。

參考資料：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj5089

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj6965

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj6987

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk3112

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl4178

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl3533

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