饲养狨猴 狨猴比人多一段雄性特异序列？中国科学家主导基因测序新模式
新京报讯（记者 李玉坤）近日，中国科学家牵头中外科学家合作，以狨猴为模型，首次以新方式分析组装了非人灵长类动物全基因组数据，为高质量基因组分析提供了新模式。此项成果已发表在著名学术期刊《自然》上，并于北京时间4月28日23点在《自然》官网首发。
普通狨猴。图片由华大基因提供
以前的基因测序方法存在缺陷
“正常人体细胞有23对46条染色体，但传统方法测序后只能组装出22条常染色体加XY染色体，也就是24条染色体。”论文第一作者、深圳华大生命科学研究院与哥本哈根大学联合培养的博士生杨晨涛介绍说。染色体DNA是一种很长的生物大分子，由四种碱基按特定顺序排列而成，这些独特的排列方式代表着生物体的遗传信息。
按照目前的方法，对DNA进行测序时不可能对整个DNA分子进行测序，而是采用分而治之的方法，先得到大小不一的数据片段，再通过算法将这些数据拼凑成完整的染色体DNA信息。
“个体的染色体都是成对存在的，一条来自父亲，一条来自母亲。对应的两条常染色体有相同的进化起源，序列也相似，但又存在遗传差异。在组装时，算法无法区分一些不同的区域，此时只能随机保留其中一条的数据。比如两条1号染色体的数据，最终会拼接成一条父母的‘嵌合’1号染色体。这就类似于两种颜色拼成的马赛克图案，会导致我们在检测变异位点时，失去了变异位点之间的连锁关系，也就是不知道这些变异是以什么样的组合方式遗传给后代的。”杨晨涛说。
新方法可同时获取父系和母系染色体
“我们首次在狨猴基因组测序中尝试了一种新方法。”论文共同第一作者、深圳华大生命科学研究院副研究员周洋说。
周洋对这种方法做了进一步解释。简单来说，这种方法不仅对后代进行第三代基因组测序，还对其父母的基因组进行第二代高深度测序。通过父母的高深度测序数据，科学家获得了父母各自独有的一组序列，并利用这些信息将后代的三代测序数据拆分成两组独立的父母数据，分别进行组装。经过一系列的拼接和构建过程，最终获得了两组分别组装到染色体水平的父母单倍体基因组。在实验中，母本和父本单倍体基因组的单碱基准确率分别达到了99.996%和99.998%。
这种通过家系组装测序的方法，将为人们提供两组独立分离的基因组序列，一方面有利于人们研究父母两组染色体序列的差异以及这些突变之间的连锁关系，另一方面也有助于人们进行基因表达调控等方面的更细致的研究。
“通过利用被测个体父母的测序数据来区分遗传信息，我们的算法可以完美地分别组装两条同源染色体。这样一来，我们就可以得到所有染色体的遗传数据，这是一个很大的进步。相关方法未来可以应用于更多物种的分析。”周洋说。
两种不同组装策略的比较。
人类和狨猴的 Y 染色体之间至少存在三个主要的结构差异
“得益于新的高质量染色体数据，我们终于有机会直接比较来自父亲和母亲的两组染色体，”杨晨涛说。“如果考虑到所有类型的遗传变异，单个个体的基因组杂合度要比过去传统方法预测的要高得多。此外，有趣的是，来自父亲的生殖系突变是来自母亲的两倍。这可能与卵子和精子形成过程中细胞复制和分裂次数不同有关。”
通过物种间比较分析，研究确认，X染色体在灵长类物种间基本保守，而Y染色体在物种间发生了较大的变化，这很可能是由于Y染色体无法重组导致突变的积累所致。
“我们还对狨猴的生物学特性进行了分析，”周洋补充道。“我们发现，与人类相比，狨猴的 Y 染色体上多了一个雄性特有的序列，而且一些与人类精子形成有关的基因在狨猴身上丢失或不起作用。”
例如，与人类相比，人类与狨猴的Y染色体至少存在3个主要的结构变异。另外，与人类相比，狨猴Y染色体上一些对精子形成过程至关重要的基因丢失或被假基因化。这一现象可能与狨猴的一夫一妻制交配方式有关，从而导致雄性个体间精子竞争减少。
相比之下，狨猴的Y染色体上只携带了两种人类所没有的基因，其中一种基因是从狨猴X染色体上的同源基因中特异复制而来，而这种基因在其他灵长类动物的Y染色体上并不存在。“考虑到这种基因是狨猴睾丸特异表达的基因，我们推测这种基因可能在雄性狨猴的生殖发育中发挥重要作用。”周阳说。
研究或推广精准医疗
“2021年是人类参考基因组草图序列公布20周年，但如何构建参考基因组序列仍是当前基因组研究的重点研究领域。”该研究通讯作者、深圳华大生命科学研究院、中国科学院昆明动物研究所和丹麦哥本哈根大学张国杰教授说。
他介绍，基因组中包含大量与健康、疾病和表型相关的序列，而这些序列的研究依赖于基因组序列的准确性。近年来，基因组序列功能研究对获取更高质量基因组提出了新的要求，完善的参考基因组序列定义也随着测序技术的发展不断更新。
“我们提出了二倍体物种基因组序列完美的新标准，即二倍体细胞中的两个基因组应在染色体水平上独立组装，且包含极少的测序空洞。在这项研究中，我们证明了实现这一目标的可行性。”张国杰教授总结道，“此外，高质量的狨猴基因组也为以该物种为动物模型的医学研究提供了重要的遗传数据。”
通过对生物医学模型物种狨猴的基因组测序与组装，新的测序与组装技术展现出巨大的潜力，可以为科学家提供非常精准的基因组数据支持，并在此基础上开展更为细致的疾病相关研究。
未来 20 年，人类基因组学将走向何方？主要期望是实现精准医疗，即利用遗传信息根据每个人独特的遗传特征制定干预措施，以预防和治疗从精神疾病到癌症等各种疾病。“因此，我们预测这项新技术将大有用途。”
■ 扩展
为什么是狨猴？它们与人类有许多共同的特征。
狨猴（学名：Ammon ）是一种生活在巴西东北部热带大西洋沿岸地区的小型猴类，成年狨猴体型只有手掌大小，是世界上最小的灵长类动物之一，也是医学研究的常见模型动物。
狨猴与人同属新大陆猴亚目（），但人与其他猿类同属于起源于亚洲和非洲的旧大陆猴（），而狨猴则属于起源于拉丁美洲的新大陆猴（）。新大陆猴与旧大陆猴在形态上存在许多显著差异，如体型大小、鼻孔形状、牙齿数量等，而体型大小在狨猴亚科中尤为显著，这成为它们在实验室中饲养的重要优势。此外，与旧大陆猴的生殖特点不同，狨猴的寿命相对较短，性成熟时间较短，产下双胞胎的概率非常高，可以为实验室提供非常充足的样本资源。
“狨猴与人类在解剖学、生理学、药物代谢等方面具有许多共同点，因此可以开发出多种医学研究模型，这些模型可以应用于神经退行性疾病、生殖生物学、药代动力学和药物毒性筛选、干细胞研究、自身免疫性疾病、传染病等领域的研究。”杨晨涛解释道，“因此，解读狨猴的高质量遗传信息，对推动人类疾病研究具有重要意义。”
新京报记者 李玉坤
编辑：白爽 校对：王欣