好风借力，乘势解密——多组学助力多维揭示进化奥秘

近日，备受瞩目的2022年诺贝尔生理学或医学奖揭晓，因“对已灭绝的古人类基因组和人类进化的发现”，瑞典科学家Svante Pääbo博士荣膺此奖项。

Svante Pääbo博士出生于1955年，是来自瑞典的遗传学家，其父亲Sune Bergstron因对前列腺素和相关物质的发现已于1982年获得了诺贝尔生理学或医学奖。作为一名对古生物学执着的“诺二代”，Svante Pääbo博士则是坚持了自己对考古研究的兴趣，致力于对古人类的遗传学研究，专注于解密“人类为何成为人类”。

古基因组学学科的发展离不开基因测序技术的进步。新一代测序技术（NGS）以其测序通量高、大规模平行测序、可以同时揭示已知和未知基因多种突变类型的优势，越来越广泛的应用于科研工作，并推动着古基因学的发展。

Svante Pääbo团队的研究中，充满了古老样本和先进基因组学技术的融合。

图片来源：诺贝尔奖委员会官网

在对尼安德特人线粒体的研究中，Svante Pääbo团队首创了从尼安德特人骨头中提取古DNA、测序及分析古DNA的方法，并制作了与现代人在进化上关系最近的尼安德特人基因组的草稿，继而通过基因信息比对发现尼安德特人与分布在欧亚的人群祖先有通婚的证据。 该系列基因组序列样本是于古老的尼安德特人化石中提取，并使用了先进的Illumina高通量平台测序完成。

在丹尼索瓦人的发现中，其基因组来源于2008年在西伯利亚南部的丹尼索瓦洞穴发现的一小块指骨碎片，并使用Illumina测序平台生成了大约30倍的基因组覆盖率数据。通过与现代人类已知的基因组序列比对，丹尼索瓦洞手指骨的DNA序列是独一无二的。因此，曾经不为人知的丹尼索瓦人首次被发现。 

然而生物具有多层次和复杂性，单独基因组研究也有局限，例如无法仅依靠基因信息复原人类进化全景图、无法单独实现精密解构人类健康原因的任务。这就需要结合表型信息综合分析。表型，即生命体的各种特征，是一种多维度的生物指征，伴随着人类的进化而不断演化。表型组与基因组信息互为补充，与人类的进化和生活息息相关。为了同时完成多维度基因组及表型组的测序和平行综合分析，多基因组学应运而生。

图：通过多组学更全面地了解生物学——多组学不仅研究基因组，还带来对生物学更深层次的见解。分析每一条可用的分子数据，加速生物学发现，转变我们对人类健康的理解。

在多组学研究中，基因组学方法可以全面覆盖多种变异类型，如拷贝数变异（CNV）、插入/缺失（INDEL）、单核苷酸变异（SNV）和结构变异（SV）。除此之外，表观遗传学研究在多组学研究中发挥越来越重要的作用。全面的表观遗传学分析可以揭示基因调控模式，帮助发现基因组变异的功能。

DNA甲基化是表观遗传学的中最为常见的一种修饰，可以使细胞抑制病毒和非宿主DNA元素表达，促进对环境刺激的反应。异常的DNA甲基化对基因表达调控的影响与多种疾病相关。将甲基化信息和遗传信息相结合的多组学方法可以帮助破译复杂的通路和疾病机制。

基于芯片的甲基化研究可以为基因表达调控提供有价值的信息，目前主流应用平台有Illumina MethylationEPIC BeadChip等。在使用甲基化芯片的研究中，芯片CpG的覆盖度对于甲基化的检测水平至关重要， Illumina Methylation EPIC BeadChip则结合了全面的覆盖范围和高通量检测能力，为深入了解表观遗传变化提供了强大的检测分辨率。

Illumina甲基化芯片全面覆盖整个基因组，可以定量研究超过85万个甲基化位点的表观基因组信息，包括CpG岛、非CpG和差异甲基化位点、FANTOM5增强子、ENCODE开放染色质、ENCODE转录因子结合位点及miRNA启动子区域等。

此外，Illumina甲基化芯片可平行分析包括福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）组织在内的多个样本，从而在最大限度减少每个样本成本的同时实现高通量。对于所有Illumina甲基化芯片来说，技术平行分析之间的重现性均超过98%。

Illumina甲基化芯片系列产品中不仅包括针对人类研究的Human MethylationEPIC BeadChip, 还包括了针对小鼠的Mouse Methylation BeadChip。此外，还有定制化产品Custom Methylation Beadchip可为目标研究和商业应用提供最大程度的灵活性和成本节约，适用于各种应用。

随着NGS技术水平的提升及测序成本的下降，NGS技术也广泛应用于蛋白质组学的研究，并形成了蛋白质组学与其他组学结合的模式，例如CITE-Seq技术，这种基于NGS的测序技术可以在单细胞层面上同时检测转录组和细胞表面蛋白，可以实现单细胞维度下的蛋白质信息与转录组信息的整合，更全面地定义细胞状态和细胞功能。此外，还有邻位延伸（PEA）技术，这种技术作为一种突破性的技术，在精准蛋白质组学中发挥重要功能，通过结合免疫学反应和值得信赖的Illumina测序技术，克服了传统的蛋白质组学在检测通量和灵敏度的限制。

多组学是一种快速兴起的、以先进的测序和芯片技术为动力的生命科学研究方法，代表了一种新的全面理解生物学的视角，能够帮助我们探寻规律、看到隐藏在某一类数据后的“秘密”，让我们更深入地了解生物学，解码生命奥秘。

近年来，随着测序成本的不断降低和技术水平进步，多组学分析也变得更加全面，具备更好的整体性。Illimina测序仪使包括甲基化分析和蛋白质组学在内的新兴应用和多组学测序方法成为可能。通过提供具有业界领先的数据质量、灵活性和可扩展性的解决方案，Illumina为多组学分析提供产品和服务支持。NGS方法中的数据结果可以整合多种数据类型，帮助研究人员最大限度地发挥珍贵研究样本基因组数据的潜力，为突破科学新见解的极限提供更多可能性。

参考文献：
[1] Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2022.
[2] Pääbo S. The human condition-a molecular approach. Cell. 2014 Mar 27;157(1):216-26.
[3] Krings M, Pääbo S, et al. Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell. 1997 Jul 11:90(1):19-30.
[4] Krause , Pääbo S, et al. The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia. Nature. 2010 Apr 8:464(7290):894-7.
[5] Meyer M, Kircher M, Gansauge MT, Li H, Racimo F, et al. A High-Coverage Genome Sequence from an Archaic Denisovan Individual.Science. Aug 31 2012.