從百歲老人的基因組中尋找結構變異的秘密

【字體: 時間:2020年11月13日 來源:生物通

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  荷蘭和比利時的科學家采用PacBio的單分子實時(SMRT)測序技術生成了一名荷蘭百歲老人的二倍體基因組組裝,并對檢測到的變異進行了詳細分析。

  

人類基因組中存在著大量的重復序列,有時會影響神經系統的健康。在極少數情況下,重復序列會變得不穩定,在家族中逐代擴增,一旦超過臨界長度,就可能會影響基因轉錄,造成神經系統疾病,比如亨廷頓舞蹈癥、肌萎縮性側索硬化癥、精神分裂癥等。隨著重復序列的增加,后代的病情往往更嚴重,發作年齡更小。

然而,研究這些結構變異(SV)仍具有挑戰性,因為通常使用的短讀長測序方法很難對大的重復區域進行評估。為此,荷蘭和比利時的科學家采用PacBio的單分子實時(SMRT)測序技術生成了一名荷蘭百歲老人的二倍體基因組組裝,并對檢測到的變異進行了詳細分析。

這項成果發表在《Translational Psychiatry》雜志上,由阿姆斯特丹自由大學的Henne Holstege領導。他們的目的是確定與神經系統疾病發作相關的結構變異。因此,他們將百歲老人的基因組組裝與幾個現有的人類基因組組裝進行了比較。


Henne Holstege

研究團隊之所以選擇PacBio的長讀長測序技術,是因為短讀長測序方法對結構變異的挖掘還不夠。“采用常見的測序方法很難對大的重復區域進行評估,因為100-150 bp長度的短讀數無法覆蓋整個結構變異,”作者在文中寫道。“解決方案是生成更長的測序讀數。”

在這項研究中,Holstege及其同事對荷蘭老人Hendrikje van Andel-Schipper的基因組DNA進行測序,并用FALCON-Unzip工具建立了約2.82 Gb的二倍體組裝。這名老人在115歲高齡時去世,依然沒有出現認知能力下降的跡象。他們將這個稱為W115的組裝與兩個單倍體組裝及人類參考基因組進行比較,以搜索50 bp或以上的結構變異。

研究人員采用了一個名為REVEAL的多基因組比對工具,共發現了31,680個結構變異。大約62%的變異可歸為可變數目的串聯重復序列(VNTR)。“有趣的是,我們發現亞端粒區域的VNTR由更長的重復亞基組成,而且它們的GC含量更高,”作者寫道。VNTR的擴增與錯誤的基因轉錄存在關聯。他們發現,VNTR數量最多的基因(比如PTPRN2和DLGAP2)主要在大腦中表達,并與多種神經系統疾病相關。

此外,研究人員還分析了結構變異列表,以了解SMRT測序在檢測方面有何不同。在僅使用W115基因組的短讀長數據時,他們只發現了5,826個結構變異。他們指出,通過PacBio組裝發現的超過18,000個變異是只能通過長讀長測序鑒定的。

下一步,Holstege及其團隊打算開展一項大型研究,至少涵蓋150名認知正常的百歲老人和150名阿爾茨海默病的患者,以確定兩組參與者的VNTR長度明顯不同。為此,他們已經購買了Sequel II測序系統。他們希望用單個SMRT Cell來覆蓋每個基因組。(生物通 薄荷)

原文檢索

Linthorst, J., Meert, W., Hestand, M.S. et al. Extreme enrichment of VNTR-associated polymorphicity in human subtelomeres: genes with most VNTRs are predominantly expressed in the brain. Transl Psychiatry 10, 369 (2020). https://doi.org/10.1038/s41398-020-01060-5

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