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攻破基因组的最后战线,发现着丝粒的秘密[创新技巧]

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2018年04月26日 来源:生物通

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  着丝粒在细胞分裂中发挥着举足轻重的作用。不过这么多年来,人们还不了解其组成和功能。近日,随着新方法的不断开发,着丝粒有望说出其最后的秘密。

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着丝粒在细胞分裂中发挥着举足轻重的作用。不过这么多年来,人们还不了解其组成和功能。近日,随着新方法的不断开发,着丝粒有望说出其最后的秘密。

着丝粒的来源

着丝粒大约占了人类基因组的5%。它位于每条染色体的中心,连接姊妹染色单体,并通过促进纺锤体附着和确保染色体正确分离而在细胞分裂中发挥重要作用。

然而,着丝粒的研究一度难以开展,因为它充满了DNA重复序列。于是,它自然成为基因组研究的最后战线。

着丝粒由长的DNA重复序列组成,这些序列称为α卫星DNA。重复序列内的序列都是相似的,甚至是相同的,每条序列大约包含170个碱基,因此测序难以开展。传统的DNA测序是将DNA链打断成较短的部分,然后读取并组装回去。

“着丝粒的问题在于所有片段看上去都是一样的。这就像在玩撒哈拉沙漠的拼图,”杜克大学医学院的分子生物学家Beth Sullivan评论道。

尽管人类基因组计划在15年前就已经完成,但仍然存在缺口。这主要由着丝粒DNA组成,因为当时的技术不够先进,无法对这部分进行测序。不过,目前人们已开发出更先进的技术。

填补基因组的缺口

2018年3月,加州大学圣克鲁斯分校的研究人员在《Nature Biotechnology》发表了一项里程碑成果。他们首次利用纳米孔测序技术,对人类Y染色体的着丝粒区域成功测序。

资深作者Karen Miga表示,研究团队现在正进行人类所有染色体的着丝粒区域测序,希望最终完成人类基因组测序计划。“我们正朝着完整的基因组前进。就我而言,我希望有一天我们能够撸起袖子,研究这些神秘序列的功能,”她解释道。

研究团队此次使用的是纳米孔测序技术,它可以读取更长的DNA片段,这使得DNA更容易读取和重新组装。团队确保所产生的序列很长,而且质量很高,这是成功测序着丝粒的关键。

“以往,没有测序技术能够组装着丝粒区域,因为需要超高质量的长读取才能自信地跨过低拷贝的序列变异,”共同第一作者Miten Jain谈道。这些“基因组黑洞”包含的信息“对于理解基因组生物学在健康和癌症等疾病中的作用至关重要”。

一种更直接的分析

尽管所有着丝粒的成功测序指日可待,但是人们也需要一些快速的分析技术,以深入了解因细胞分裂问题而引起的疾病,包括唐氏综合征和部分癌症。

密歇根大学医学院的研究人员就开发出一种新颖的PCR技术,并发表在《Genome Research》上。他们希望,有了这项技术之后,着丝粒分析这个耗时耗力的任务能够轻松愉快地完成。

“着丝粒对于细胞分裂非常重要,但从遗传角度来看很难分析,因为其中的DNA序列高度重复,”资深作者David Markovitz评论道。“利用这种新技术,我们能够实时地研究着丝粒的遗传学和表观遗传学。”

唐氏综合征大家都清楚,也就是21号染色体多了一个拷贝。研究人员利用PCR技术,发现了21号染色体的不稳定性,以及一种与着丝粒相结合的蛋白缺乏,提示了着丝粒在唐氏综合征中的作用。

研究团队鉴定出人类23条染色体的着丝粒上特定的DNA重复序列标记。这使得人们有望利用PCR分析来捕获特定时间的着丝粒基因组学信息。这让着丝粒的遗传和表观遗传分析成为可能。

他们利用小小的变异作为PCR引物,能够在半小时内识别几乎所有染色体的着丝粒,并区分他们。“这些实验让我们有机会了解着丝粒的动力学,以及这些序列在进化或疾病过程中如何扩展或缩短,”第一作者Rafael Contreras-Galindo谈道。

“我们现在可以了解关键的着丝粒蛋白质位于哪些着丝粒上,并形成对细胞分裂至关重要的动粒。通过这些研究,我们可以开始了解着丝粒DNA不稳定性如何影响着丝粒功能,正如我们在唐氏综合征中所看到的。”

这项研究就快大功告成。不过,研究人员目前尚未发现19号染色体的DNA重复序列模式。他们仍在继续寻找19号染色体的独特DNA序列,并希望将其方法申请专利,以便继续建立着丝粒与疾病之间的联系。

延伸阅读

Jain M, Olsen HE, Turner DJ et al. Linear assembly of a human centromere on the Y chromosome. Nat. Biotechnol. 36: 321-323 (2018)

Contreras-Galindo R, Fischer S, Saha AK et al. Rapid molecular assays to study human centromere genomics. Genome Res. 27: 2040-2049 (2017)

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