“端粒到端粒”人类参考基因组:精准医学时代的新起点

DNA测序技术的飞速发展使人类基因组学研究迈进“端粒到端粒(T2T)时代”。这个时代的核心标志是实现每一个人类染色体分子——从端粒到端粒——高质量、高完整度的连续线性组装,成为精准医学质量控制的金标准,从而准确和稳定地识别个体变异信息。越来越多个体基因组的完整组装为我们揭示远高于预期的人类基因组差异,也为各人群采用自己的近缘参考基因组进行变异分析提供了关键的理论依据。近缘参考基因组可以更准确地识别和定位个体的基因变异,而准确的变异数据是精准医学中变异与表型关联研究的关键数据基础。这种以人群为单位的基因组分析和研究新范式,必将显著影响国际和国内未来精准医学发展的格局。

中国人群参考基因组及基因组变异图谱资源库

随着人类基因组计划和国际千人基因组计划的实施,已公开数百个中国人个体的全基因组数据。建立高精度的中国人群参考基因组序列,发现并解析中国人群特有的序列变异,是我国未来精准医学研究的基础。为满足未来精准医学研究中国人基因组数据持续增长的科学管理和深入研究的需求,中国科学院北京基因组研究所发展并建立了基于中国人群全基因组测序数据的虚拟中国人基因组数据库(Virtual Chinese Genome Database,VCGDB)和中国人群基因组变异数据库(Genome Variation Map, GVM),面向国内外用户提供数据检索、共享、下载和在线分析服务。本文重点介绍了这两个数据库的特点和功能,以及未来发展与应用前景,以期为中国人群参考基因组及基因组变异图谱资源库的推广使用、发展完善提供有益信息。

质量最高热带玉米参考基因组

华中农业大学教授严建兵团队在《自然—遗传学》发表文章,公布了迄今为止质量最高的热带玉米参考基因组,并公布了首份玉米结构变异图谱,结合这些信息首次克隆到影响籽粒重量自然变异的关键基因。

华南农业大学公布辣椒高质量染色体级别的三代拼接参考基因组

2022年6月16日,华南农业大学园艺学院在《Nature Communications》杂志上发表了题为“The 3D architecture of the pepper genome and its relationship to function and evolution”的研究论文。该论文以华南农业大学辣椒课题组培育的优良辣椒自交系59号为材料,首次报道了辣椒高质量染色体级别的三代拼接参考基因组,并通过整合高分辨率Hi-C图谱与表观组、转录组以及遗传变异数据,探索了其三维基因组结构的基本特征以及与基因组功能和进化的关系。

我国科学家组装梨矮化砧木“中矮1号”高质量参考基因组

中国农业科学院果树研究所梨资源与育种创新团队完成了梨矮化砧木品种——"中矮1号"高质量基因组的测序与组装。该参考基因组的成功组装不仅为今后解析梨矮化、早果等性状形成的分子机制奠定了基础,而且为其他性状研究和比较基因组学研究提供了翔实有效的参考数据,在梨基因组学研究和分子辅助育种方面将发挥重要作用。相关研究成果在线发表在《科学数据》上。

近5年马铃薯基因组及重要性状基因研究进展

马铃薯是保障我国粮食安全的重要补充。高质量的参考基因组和重要性状形成基因是分子育种工作的两个核心要素。相对于水稻、小麦、玉米等作物分子育种的迅猛发展,马铃薯还处于常规育种向分子育种的转型阶段,尤其需要构建高质量参考基因组,挖掘并充分利用重要性状调控基因在辅助育种中的作用。简要总结了近5年上述两方面的国内外研究现状和重要成果,简要分析了我国马铃薯分子育种面临的瓶颈问题,以期为马铃薯遗传育种等研究提供参考。

基于测序技术的畜禽基因组学研究进展

人类通过数千年的驯化和近代以来有计划性的育种,形成了当今多样化的畜禽品种,从而提供丰富的动物源性蛋白满足人类需求。在过去的100年里,数量遗传学应用于动物育种领域引发了畜禽育种技术的革命,但畜禽机体遗传发育体系相当复杂,一些性状仍然难以通过基于系谱的育种值进行高效选育,遗传潜能尚未充分发掘。人类基因组计划带来的理念和技术极大促进了畜禽基因组学的发展,使得人们可以从全基因组水平精准定位功能变异,挖掘功能元件的生物学意义,为畜禽分子设计育种提供重要的理论基础。本文对近10年来猪(Sus scrofa)、牛(Bos taurus)、牦牛(Bos grunniens)、山羊(Capra hircus)、绵羊(Ovis aries)、鸡(Gallus gallus)、鸭(Anas platyrhynchos)和鹅(Anser cygnoides)等主要畜禽的基因组学研究进展进行综述,分别从参考基因组构建和群体基因组学分析两个方面进行论述,并对畜禽基因组未来的研究工作进行了展望。

山羊基因组与遗传变异图谱研究进展

高通量测序技术和生物信息学的发展极大的促进了山羊分子生物学研究。山羊参考基因组的不断完善以及基因组重测序技术的应用,在全基因组水平上发现了大量的遗传变异信息(SNP、Indel和CNV),丰富了山羊分子群体遗传学研究利用的分子标记。综述了山羊参考基因组组装和全基因组变异图谱的构建及其在山羊上的研究进展,以期为进一步利用分子遗传标记进行山羊的各种性状的遗传基础研究和遗传资源保护利用提供科学依据和参考。

马铃薯品种和组织对基因组测序深度分布模式的影响

【目的】探讨品种和组织对马铃薯基因组测序深度分布的影响.【方法】对‘布尔班克’和‘云薯107’2个品种的薯块芽端和茎端进行了深测序,建立了在参照基因组上的测序深度分布图.【结果】发现这些分布在品种间有明显差别(例如在三号染色体中部和尾部),在同一品种的DNA样本间很类似,但芽端和茎端在二号染色体有明显差别.这些结果说明测序深度的分布主要受品种基因组本身所影响,也受薯块上部位影响,而且在很大程度上可以重复.【结论】这些结果能帮助设计试验和合适利用测序深度.

鹿科动物基因组学研究进展

鹿科动物是世界上最丰富的大型哺乳动物之一,在极北地区、热带地区和高海拔地区都有分布。中国占世界鹿科动物40%以上,是鹿科动物进化的主战场。鹿科动物除了具有反刍动物常见的独特表型特征外,更是进化出周期性再生新器官——鹿茸角。鹿科动物是研究生态学、行为学和进化生物学非常有价值的动物模型,特别是在研究哺乳动物器官再生方面具有重要科学价值。鹿基因组是系统阐述鹿的进化和演变,解析鹿科动物独特生物学性状的依据,对遗传资源保护和利用具有重要意义。目前,随着鹿科动物参考基因组的不断完善,在鹿基础科学研究上取得了诸多重要成果。本文详细综述了鹿科动物基因组学研究进展,主要包括鹿遗传变异数据、适应性进化分子基础、独特性状鹿茸角的起源进化关键基因和功能基因组学,以期为鹿科动物的深入研究奠定理论基础。

西北农林科技大学破译花椒基因组,揭示花椒基因组的进化和麻味物质合成

西北农林科技大学魏安智教授团队以凤椒作为测序材料,采用二代+三代的测序策略,同时结合Hi-C染色体构象捕获技术组装了花椒染色体级别的参考基因组。组装的参考基因组大小为4.23 Gb,是其同科植物甜橙的10倍之多。进化分析显示,花椒和甜橙之间的物种分化大约发生在3 500万年前,之后,花椒在约2600万年前经历了一次独立的全基因组复制事件(η-WGD),并在640万年前发生了转座子爆发事件,此后经历一系列染色体断裂及融合,最终形成了如今的染色体(2n=136)。

基于PacBio Iso-Seq构建低温胁迫后中华蜜蜂工蜂全长转录组

【目的】中华蜜蜂Apis cerana cerana是东方蜜蜂Apis cerana在中国地区分布最广泛的亚种,在地理适应和生态多样性方面有显著优势。中华蜜蜂的低温适应性优于西方蜜蜂A.mellifera,可用于高海拔高山地区和冬季蜜源的采集,该性能在生产方面有重要作用,探究中华蜜蜂低温耐受性可有助于优良品系的筛选,为农业经济创造更大价值。【方法】收集分别在常温(25.0±0.2)℃(对照)和低温(4.0±0.2)℃下处理6 h时的中华蜜蜂3,10和21日龄工蜂6组样本,进行转录组二代测序(Illumina RNA-Seq)和全长转录组三代测序(PacBio Iso-Seq),利用二代测序数据对三代测序数据进行校正,基于高质量的测序数据对比NR,NT,Pfam,KOG/COG,Swiss-Prot,KEGG和GO数据库,对新转录本和新基因进行功能注释。【结果】中华蜜蜂工蜂6组样本全长转录组测序分别获得71.17,42.76,58.82,53.45,40.33和42.79 Gb读段,平均N50达到205895 bp,质控后得到164194条一致性序列;通过比对到东方蜜蜂参考基因组可获得21519条新转录本,与中华蜜蜂物质代谢、神经系统和信号转导等密切相关,且不同日龄中华蜜蜂受低温胁迫后,物质代谢、细胞发育、寿命及神经发育等受到影响,同时还鉴定到28647条长链非编码RNA(long non-coding RNA,LncRNA),其中lincRNA和sense_intronic两种类型LncRNA的占比最多,分别为35%和45%。【结论】本研究利用矫正后的中华蜜蜂工蜂PacBio Iso-Seq转录组数据鉴定到大量未注释的新基因和新转录本,并对其进行了功能注释,分析了LncRNA的数量和类型,研究结果完善了东方蜜蜂参考基因组,为中华蜜蜂抗寒机制的探究提供了良好的数据背景。

基于基因突变体筛选思想的角度细分方法研究

为了消除环境温度变化等原因造成的多对极角度跳点问题,基于基因突变体筛选思想提出了一种多对极角度分辨率细分方法。首先针对磁电编码器结构进行磁、热场分析,研究磁、热场对磁电编码器角度分辨率的影响。在该研究基础上,依据基因对比筛选技术原理建立多对极磁电编码器参考基因组,将多对极角度极数以及多对极角度扇区数作为参考基因组成员。依据实际计算得到的多对极角度极数及扇区数与固化在单片机内的参考基因组进行筛选对比,判断出角度跳点位置,并依据异常基因特征进行角度分辨率误差修正。通过实验验证,采用所提出方法能够有效抑制环境变化造成的多对极角度跳点问题,最终角度分辨率可达到14位(0.02°),精度达到13位(0.04°)。

玉米基因组所有染色体端粒到端粒完整无间隙组装

基因组测序在基础生物学研究以及医学和农业应用的许多方面都发挥着重要的作用.1996年,第一个真核生物基因组序列破译在酵母中完成[1].随后,包括拟南芥[2]、人类[3,4]、小鼠[5]、水稻[6]、玉米[7]等数百个物种的参考基因组相继公布.然而,由于基因组序列组成的复杂性.

植物基因组与表观遗传学研究进展

DNA序列信息是基因功能研究的基础,近10年来随着测序技术的升级迭代,植物基因组学高速发展。不同倍性植物高质量参考基因组的解析,重要作物泛基因组的构建,以及大规模、群体水平的深度重测序等极大推动了作物起源、驯化、农艺性状形成的解析以及育种改良的进程。表观遗传修饰参与植物生长发育的全过程,调控了植物对环境信号如光、温度、养分、盐碱等的应答和适应性,介导了同代和代际之间的“胁迫记忆”。除了DNA甲基化、小分子RNA调控、组蛋白修饰,近几年RNA结构与修饰以及染色质的三维结构也得到越来越多的关注,逐渐成为表观遗传研究的热点。本文主要概述了近10年来植物基因组和表观遗传学研究的前沿进展,比较国内外研究的侧重点,并探讨后续的发展趋势,提出未来5~10年的研究目标和项目建议。

基于宏基因组数据的菌株分析方法及其应用

菌株是微生物研究中最基础的生命实体,其功能多样性对宿主表型有着重要影响。随着微生物组研究的深入,对复杂微生物群落进行菌株水平的构成分析和功能分析,在基础科研、临床应用等方面都有重要的价值。文中介绍了基于宏基因组数据的菌株分析的主流算法,以及菌株分析在微生物组研究中的潜在应用和未来的发展方向。

基于广义拓扑熵的片段复制分析方法研究

片段复制(Segmental Duplication)是一种重要的遗传学现象,在生命进化及基因组变异的形成过程中发挥着重要作用。对片段复制区域的序列分析具有重要的研究意义。然而,通过传统的生物学实验方法对片段复制序列进行分析存在分析成本高、速度慢等缺点。为此,本研究提出基于广义拓扑熵的片段复制分析方法,利用信息熵的理论对这一生物学现象进行分析研究。通过对人类参考基因组数据的实验结果表明,广义拓扑熵的方法可以较好地将片段复制区域与其它随机选取区域进行区分。

肠道菌群研究存在的问题及解决方案

本文对肠道菌群研究中的实验设计、样本采集和处理、信息分析方法的基本原理与面临的问题及解决方案进行总结和探讨;强调标准化的实验流程、信息分析及质控方法,构建参考基因组及基线数据库的重要性;并展望了绝对定量、无菌动物、体外模拟等关键技术的应用前景,这些技术将为肠道菌群基础研究在精准医学、精准营养、精准干预中的应用打下坚实的基础.