Science头条:令人惊叹的新技术破解基因组

【字体: 时间:2012年09月04日 来源:生物通

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  一个国际研究小组的科学家利用一个令人惊叹的新技术,完成了一个古老的西伯利亚女孩31倍的基因组测序,这种新方法采用了一种新型的扩增单链DNA的技术。

  

生物通报道:一个国际研究小组的科学家利用一个令人惊叹的新技术,完成了一个古老的西伯利亚女孩31倍的基因组测序,这种新方法采用了一种新型的扩增单链DNA的技术。

这项研究完成的测序内容完整,研究人员通过这些结果,就像是获得了一个活生生的人的照片——例如,这个女孩有棕色的眼睛,头发和皮肤。“没有人想到,我们能以这种质量完成一个古老的人类基因组的序列测定,”德国马普进化人类学研究所博士后Matthias Meyer说,“每个人都对这一数据感到震惊,其中也包括我。”

这种精度令这一研究团队能将这个生活在西伯利亚Denisova洞穴中,超过五万年前的女孩的基因组,直接与现代活着的人类进行比较,获得了一个造成我们与Denisovans人种(尼安德特人近亲)之间少数基因的变化的“接近完整”的目录,“这是作为一个现代人类的遗传配方,”领导这一研究的,马普进化人类学研究所的古人类遗传学家Svante Pääbo说。

然而讽刺的是,利用仅留下一个小手指骨和两颗牙齿的化石,完成的Denisovans这种高分辨率的基因组测序,是目前遗传信息最清晰的古人类基因组序列,也比具有数百个标本尼安德特人基因组研究成果更好。

研究人员证实了Denisovans与一些现代人类的祖先进行过交配,并且这个古人类遗传多样性小,这表明他们的小人群随着现代人类的人口进一步的扩大,而逐渐减少。“Meyer 和他的同事革新了古人类DNA研究领域——再次,” 宾夕法尼亚大学进化生物学家Beth Shapiro说(未参与此次研究)。

Pääbo研究组曾在2010年,第一次在这一领域中,报道了一份低覆盖率(平均1.3个拷贝)的三个尼安德特人的综合核基因组序列,他们发现欧洲人和亚洲人1%-4%的DNA,而不是非洲人,与尼安德特人相同,并得出结论:现代人类曾以较低水平与尼安德特人杂交。

短短7个月后,这一研究组又公布了来自Denisova洞穴中一个女孩的小指骨头样品的,1.9拷贝的基因组序列,他们发现这个女孩既不是尼安德特人,也不是一个现代人——虽然这两个物种的骨骼也在这个洞被发现了。这是一个新出现的人种,他们称之为Denisovan。研究小组发现,在一些东南亚国家岛屿上出现了“Denisovan DNA”,并得出结论,他们的祖先也与Denisovans的祖先出现了杂交,可能发生在亚洲。

但是,这些基因组的质量太低,无法获得一个可靠的基因差异图谱。其中一部分原因是,古人类DNA是零碎的,而且大部分从骨骼中提取出来后,都分解成了单链DNA。

而Meyer的突破就在于研发了一种能通过单链DNA开始测序过程,而不用通常需要的双链DNA的方法。

他们在单链的两端加上了特殊分子,古人类DNA就放置代酶拷贝序列的位置。这样获得的结果能对女孩手指微少的10毫克样品,进行6-22倍扩增,研究小组一次至少可以捕获覆盖99.9%的可绘制图谱的核苷酸位点,超过92%的位点至少20倍,这被认为是一个可靠地识别位点的标准。31个拷贝中大约一半来自女孩的母亲,一半来自她的父亲,这样就得到一个“与个近期人类基因组相当质量”的基因组,威斯康星 John Hawks 说(未参与研究)。

现在,这一古老基因组就明确了,Meyer和他的同事们首次发现,Denisovans就像是现代人类一样,有23对染色体,而不是像黑猩猩一样的24对。通过比对Denisovans基因组和文献中的人类基因组,研究小组计算出,Denisovan和现代人群是在17万-70万年前间分离开来的。

令Pääbo最兴奋的是,不同人群之间基因差异的这个“几乎完整的目录”。其中包括了在过去约十万年间,现代人类出现的111,812个单核苷酸变化。

在这些突变中,有8个基因与神经系统的构架相关,包括那些参与神经轴突和树突的基因,以及与自闭症有关的基因。Pääbo特别感兴趣的是一个收到FOXP2基因调控的基因,FOXP2基因与言语障碍有关。这是“一个吸引人的推测:在现代人中也许出现了突触传递的关键方面的变化,”研究组写道。

34个基因与人类疾病相关联。这份名单提出了一些基因表达研究的明显候选基因。 “很酷的是,这不是一个天文数字般的大名单,”Pääbo说。 “在未来十年或二十年,我们的小组和其他人也许能分析这些基因。”

相关文章:续写Science十大科学突破 新基因组序列

(生物通:张迪)

原文摘要:

A High-Coverage Genome Sequence from an Archaic Denisovan Individual

We present a DNA library preparation method that has allowed us to reconstruct a high-coverage (30X) genome sequence of a Denisovan, an extinct relative of Neandertals. The quality of this genome allows a direct estimation of Denisovan heterozygosity, indicating that genetic diversity in these archaic hominins was extremely low. It also allows tentative dating of the specimen on the basis of “missing evolution” in its genome, detailed measurements of Denisovan and Neandertal admixture into present-day human populations, and the generation of a near-complete catalog of genetic changes that swept to high frequency in modern humans since their divergence from Denisovans.
 

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