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人類泛基因組草圖發(fā)布 讓“生命天書”更具全球代表性

文章來源:全球醫(yī)療器械網(wǎng)發(fā)布日期:2023-05-31瀏覽次數(shù):59
核心提示:人類基因組計劃是一項規(guī)模宏大的跨國科學(xué)工程,旨在測定組成人類染色體的30億個堿基對的核苷酸序列,從而繪制人類基因組圖譜,并辨識其載有的基因及其序列,達到破譯人類遺傳信息的目的。

國際學(xué)術(shù)刊物《自然》發(fā)表了人類泛基因組參考序列的階段性成果,在與之相關(guān)的3篇論文當(dāng)中,人類泛基因組參考聯(lián)盟提出了人類泛基因組參考草圖,以及兩個以這一參考圖為基礎(chǔ)的新遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)。


自20世紀(jì)末啟動以來,人類基因組測序一直是國際遺傳學(xué)界關(guān)注的工程之一。人類基因組計劃中國項目負(fù)責(zé)人、中科院院士楊煥明曾說,人類基因組計劃之所以引人注目,首先源于人們對健康的需求。如果能夠解碼紛繁復(fù)雜的DNA序列,人類對于演化、醫(yī)療的理解將更上一層樓。人類基因組因此有了“生命天書”的稱號。


2001年2月12日,國際人類基因組計劃公布人類基因組圖譜及初步分析結(jié)果;2003年4月15日,人類基因組序列草圖正式公布。在之后的20年中,人類基因組測序工作持續(xù)推進,并不斷取得階段性成果。其中一些意義比較重大的階段性成果,被人們稱為“里程碑”。


今年5月新發(fā)布的人類泛基因組參考草圖也是這樣的“里程碑”成果。深圳華大生命科學(xué)研究院副院長金鑫解讀說,這一成果的重大意義體現(xiàn)在“泛”字當(dāng)中——這份“泛”草圖意味著空前的多樣性,比起原先的參考基因組序列,它具有更好的全球代表性。


生命科學(xué)的“登月計劃”只是起點


基因組測序是遺傳學(xué)界的一個重要研究方向,眾多科研團隊圍繞不同目標(biāo)制訂了許多測序計劃,其中核心的是國際人類基因組計劃,該計劃于2001年2月12日公布了人類基因組圖譜及初步分析結(jié)果。


人類基因組計劃是一項規(guī)模宏大的跨國科學(xué)工程,旨在測定組成人類染色體的30億個堿基對的核苷酸序列,從而繪制人類基因組圖譜,并辨識其載有的基因及其序列,達到破譯人類遺傳信息的目的。


該計劃于1985年提出,來自美、英、法、德、日和中國六國的2000多名科學(xué)家共同參與了這一浩大工程,在測序技術(shù)尚且不發(fā)達的情況下,科學(xué)家歷時十余年發(fā)表了人類基因組工作草圖。


“可以說,人類參考基因組是生命科學(xué)領(lǐng)域重要的‘基礎(chǔ)設(shè)施’之一,許多生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的突破性研究都基于此產(chǎn)生。”金鑫說。


但是,這份“千呼萬喚始出來”的工作草圖依然缺失大量難以測定的片段,準(zhǔn)確性也受限于時代條件。因此,在之后的20余年中,這份圖譜經(jīng)歷了數(shù)次重大“升級”。


2003年4月15日,人類基因組序列草圖正式公布。2013年,參考基因組序列(GRCh38)正式發(fā)布。2022年4月,第一個完整的、無間隙的人類基因組序列問世,標(biāo)志著人類“生命天書”被完整寫成。


人類基因組計劃與“曼哈頓原子彈計劃”和“阿波羅計劃”并稱為三大科學(xué)計劃,被譽為生命科學(xué)領(lǐng)域的“登月計劃”——人類基因組工作草圖的完成就像是人類初次登上月球,取得這一成就需要大量付出,但它依然只是科學(xué)探索的起點而非終點。


金鑫表示,人類參考基因組就像是大樹的主干,是一切后續(xù)研究的基礎(chǔ),但它并不完美,依然存在局限性??茖W(xué)家圍繞這一主干開展了許多“添枝加葉”的工作,泛基因組就是其中之一。


泛基因組樣本擴大


人類參考基因組是人類遺傳學(xué)中使用廣泛的資源。但是,它目前的結(jié)構(gòu)是20多人基因的合并單倍型的線性組合,其中,來自歐洲人種的單個個體提供了大部分序列。


盡管全世界人類的絕大多數(shù)遺傳物質(zhì)都是相同的,只有少數(shù)基因決定了個體差異,但是相對單一的樣本意味著人們依然對這些創(chuàng)造差異的基因缺乏洞察,因此現(xiàn)有的人類參考基因組無法完全代表全球人類。


此外,由于人類基因當(dāng)中存在結(jié)構(gòu)變異和替代等位基因,人類參考基因組更加無法涵蓋人類物種的遺傳多樣性。金鑫把人類參考基因組的局限性歸納為兩方面,一是完整性不足,二是代表性不足。2022年,完整無間隙基因組序列的誕生很大程度上改善了完整性不足的問題,但是參考基因組的代表性仍未得到充分提高。


為了讓基因測序具有全球代表性,人類泛基因組參考聯(lián)盟應(yīng)運而生,這個組織的宗旨是構(gòu)建高質(zhì)量的人類參考基因組。目前,人類泛基因組參考聯(lián)盟的目標(biāo)是以350人的樣本為基礎(chǔ),創(chuàng)建一個質(zhì)量高、完整度高、準(zhǔn)確度高的基因組,這350人來自世界各地,可以代表人類95%以上的遺傳多樣性。


今年5月發(fā)布的新研究進展就是這一計劃的階段性成果。目前,研究者組合了47個個體的遺傳物質(zhì),為原有的參考人類基因組(GRCh38)添加了1.19億堿基對和1115個基因重復(fù)。


“相對于主要基于歐洲人種遺傳物質(zhì)建立的參考基因組,泛基因組把樣本擴大到了來自世界各地的人類個體,具有更好的全球代表性。對于歐美白人以外的廣大人群,這項工作的意義舉足輕重?!苯瘀握f。


將更好為人類健康服務(wù)


相比人類參考基因組,5月新發(fā)布的泛基因組檢測到結(jié)構(gòu)變異的數(shù)量增加了104%,相對之前翻了一番,這一數(shù)字不僅代表著龐大的數(shù)量,還意味著拯救更多生命的可能性。此外,目前的成果還只是人類泛基因組研究的一個階段性收獲,如前文所述,研究目標(biāo)是對350人的遺傳物質(zhì)進行測序,但截至目前僅完成了47人。


2010年,6歲的美國男孩尼古拉斯·沃爾克成為世界上第一個被基因測序技術(shù)拯救的兒童。這個男孩患上了嚴(yán)重的腸道感染病,經(jīng)歷了約百次手術(shù)但病因依然無法確定。醫(yī)生們通過基因測序,發(fā)現(xiàn)沃爾克的疾病來自一個罕見的基因突變。在此基礎(chǔ)上,沃爾克接受了臍帶血細(xì)胞移植。


除了沃爾克,世界上還有多例被基因技術(shù)治的病例,人類參考基因組是這些病人得到準(zhǔn)確診斷的重要基礎(chǔ)之一。泛基因組測量出來的結(jié)構(gòu)變異不僅使人們對人類基因組遺傳多樣性的理解更加完整,還讓更多患者得到了診斷和治療的可能性。


來自美國加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校的研究者指出,基于這些成果,人們將更容易確定促成生理特征或臨床特征變異的遺傳因素,并在此基礎(chǔ)上造福更多人。


“人類泛基因組的研究進展有助于促進全球醫(yī)療公平。泛基因組吸納了更多不發(fā)達地區(qū)人類個體的樣本,這意味著它比參考基因組更適用于研究和輔助應(yīng)對這些人群的疾病?!苯瘀握f。


金鑫還強調(diào),泛基因組研究能實現(xiàn)不同人群的遺傳信息對照,這會讓所有參與計劃的人群都從中受益。


金鑫所在的深圳華大生命科學(xué)研究院曾與多國科學(xué)家共同發(fā)起國際千人基因組計劃,這一計劃與泛基因組計劃類似,目標(biāo)都是在參考基因組的基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個全球代表性更好的人類基因組圖譜。


“中國是個有14億人口的大國,中國人的遺傳多樣性十分豐富。中國學(xué)者同樣致力于建立代表性更強、更多樣化的基因組,為我國乃至世界的基因研究與醫(yī)療公平作出貢獻。目前我國科學(xué)界已有不少相關(guān)成果發(fā)表,預(yù)計近期還會有一系列重要成果問世?!苯瘀瓮嘎丁?/span>