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Science:首次实现高覆盖度单个精子全基因组测序

来源:北京大学 2012-12-21 22:07

2012年12月21日,《科学》发表了北大生物动态光学成像中心(BIOPIC)、生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心李瑞强课题组与哈佛大学谢晓亮课题组合作的的研究论文“Probing Meiotic Recombination and Aneuploidy of Single Sperm Cells by Whole Genome Sequencing”。这项工作首次实现了高覆盖度的单个精子的全基因组测序,构建了迄今为止重组定位精度最高的个人遗传图谱,并且解决了一个困绕学术界多年的问题,即基因区附近重组率的降低是由于分子机制而非自然选择造成的。这项工作由一年级博士生樊伟和杨明玉与哈佛大学的博士生陆思嘉和博士后宗程航共同完成。

减数分裂期间同源染色体之间发生的片段交叉重组(crossover),对于实现遗传物质的分离是至关重要的,也是产生生物基因组多态性的重要机制。重组率在整个基因组中并非均匀分布,而是集中在一些散布的狭小区域内(hotspot),并且不同物种之间以及相同物种的不同个体之间都可能存在明显的差别。以往对于人类染色体重组的的研究,受限于实验技术的限制,分辨率一直都比较低;另外,由于一个家庭内的孩子数目有限,以往的研究都是在群体水平上开展的,而无法开展个人水平的遗传重组规律研究。单细胞DNA扩增技术和高通量测序技术的发明,使得测序单个精子的基因组成为可能。利用精子基因组测序技术来研究人类的染色体重组规律,具有以往技术无法比拟的优势。首先,精子是天然重组产生的单倍体,取材方便,而且从一个人可取的精子数量几乎是无限的,可以很容易地研究个人水平的重组分布规律;其次,全基因组测序技术提供了最高的分子标记(marker)密度,能够得到最为精确的crossover定位结果,测序技术本身具有高通量、自动化等特点,随着测序成本的迅速降低,这一优势以后会更加突出。

该项工作使用谢晓亮教授课题组新近发明的MALBAC扩增技术对一个亚洲男性的99个精子进行了单细胞全基因组DNA扩增,并且利用HiSeq高通量测序技术对每个精子分别进行了一倍深度的测序。数据分析发现,平均每个精子中的crossover个数约为26.6个 (图一),与之前的报道基本吻合。该项工作crossover的定位精度远远超过了几个月前Stanford一小组的报道。 他们发现个人的重组率的分布在百万碱基(Mega bases)尺度范围内与群体的重组率分布基本上是一致的,并且在个人水平上基因区附近的重组率也有降低的趋势 (图二),从而证明了这一现象是由分子机制决定的,而非自然选择的结果。除了重组的研究,在精子测序的结果中,他们还发现了5%的精子基因组是非整倍体的,而非整倍体(如21号染色体三体)将造成严重的先天性出生缺陷。

单精子基因组测序非常清晰地揭示了crossover的分布以及个人水平上重组率的分布规律,随着未来测序成本的进一步降低,可以测序一个人更多的精子,从而获得精度更高的个体特异性的重组率分布图谱,也可以通过比较很多人的精子来研究重组率分布在不同个体之间的差异。

生物动态光学成像中心(Biodynamic Optical Imaging Center, BIOPIC)是北京大学于2010年成立的一个跨学科合作实体研究中心。中心的目标是发展和利用最先进的生物成像与基因测序手段,在分子和细胞水平上进行生命科学与医学基础研究。中心配备世界一流的研究设备和条件,有重点地发展最新的生物成像和测序技术。

谢晓亮教授是国际知名化学家、生物物理学家。作为单分子酶学的奠基人之一,大幅发展改良了单分子荧光显微镜技术并观察到许多重要结果;对相干拉曼散射显微镜的发展做出了创造性的巨大贡献;在新一代高通量基因组测序的方法学、仪器研发及应用研究方面独树一帜。曾获美国能源部劳伦斯奖、美国生物物理学会Founders奖、美国化学会Harrison Howe奖等;当选美国科学院院士、美国文理科学院院士、中国化学会荣誉会士,是美国物理学会、生物物理学会、科学促进会和微生物学会会士。2010年起谢晓亮教授在北京大学组建生物动态光学成像中心,并与北大多个研究组开展了广泛的合作。

李瑞强教授2011年加盟北大,之前任华大基因副总裁,目前在北大的主要研究方向包括生物信息学方法与软件开发、基于高通量测序的动植物基因组组装与分析、群体多态性与进化、基因与性状关联、人类遗传性疾病基因定位、癌症基因组学、微生物Metagenomics等。(生物谷Bioon.com)

Probing Meiotic Recombination and Aneuploidy of Single Sperm Cells by Whole-Genome Sequencing

Sijia Lu1,*,†, Chenghang Zong1,*, Wei Fan2,*, Mingyu Yang2,*, Jinsen Li2, Alec R. Chapman1,3, Ping Zhu2, Xuesong Hu2, Liya Xu2, Liying Yan4,5, Fan Bai2, Jie Qiao4,5, Fuchou Tang2, Ruiqiang Li2,6,‡, X. Sunney Xie1,2,‡

Meiotic recombination creates genetic diversity and ensures segregation of homologous chromosomes. Previous population analyses yielded results averaged among individuals and affected by evolutionary pressures. We sequenced 99 sperm from an Asian male by using the newly developed amplification method—multiple annealing and looping-based amplification cycles—to phase the personal genome and map recombination events at high resolution, which are nonuniformly distributed across the genome in the absence of selection pressure. The paucity of recombination near transcription start sites observed in individual sperm indicates that such a phenomenon is intrinsic to the molecular mechanism of meiosis. Interestingly, a decreased crossover frequency combined with an increase of autosomal aneuploidy is observable on a global per-sperm basis.

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