著絲粒巨大變異背后的原因

一項(xiàng)對(duì)人類和一些非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物著絲粒的基因組研究揭示了它們難以想象的多樣性和進(jìn)化變化的速度。

在細(xì)胞遺傳學(xué)中，著絲粒是兩個(gè)姐妹染色單體連接的地方。染色單體是一條復(fù)制染色體的一半。由于著絲粒不在一個(gè)統(tǒng)一的位置，因此成對(duì)的染色體具有可識(shí)別的形狀。當(dāng)細(xì)胞準(zhǔn)備分裂時(shí)，染色體的分離和分離機(jī)制在每個(gè)著絲粒位置開始起作用。

除非遺傳物質(zhì)在兩個(gè)產(chǎn)生的細(xì)胞之間正確分布，否則問題就會(huì)出現(xiàn)。這些疾病包括癌癥、先天性疾病，如唐氏綜合癥，以及受精細(xì)胞不能長(zhǎng)成嬰兒。

雖然著絲粒對(duì)正常的細(xì)胞復(fù)制至關(guān)重要，但其基因組組織的復(fù)雜性幾乎不可能研究。著絲粒序列的缺乏阻礙了對(duì)這些區(qū)域如何幫助維持遺傳完整性的探索。

今天，長(zhǎng)讀基因組測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步、精細(xì)的計(jì)算機(jī)化基因組組裝算法和改進(jìn)的基因組數(shù)據(jù)庫(kù)使科學(xué)家能夠認(rèn)識(shí)到著絲粒在大小和結(jié)構(gòu)上的巨大差異。這為弄清楚這些差異可能意味著什么開辟了新的途徑。

4月3日的《自然》雜志**報(bào)道了著絲粒巨大變異背后的因素。研究結(jié)果表明，著絲粒可能在人類中高度個(gè)性化。一組著絲粒甚至可能是一種個(gè)人特征，就像我們每個(gè)人都有獨(dú)特的聲音模式、虹膜顏色和指紋一樣，將我們彼此區(qū)分開來。

目前尚不清楚著絲粒變異是否會(huì)使人容易患上特定疾病。

只有人類的X染色體似乎是基本不變的，在不同的人類中有著非常相似的序列和結(jié)構(gòu)。

《自然》雜志論文一作是Glennis Logsdon，他是華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院Evan Eichler基因組科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一名博士后學(xué)者。Eichler是論文資深通訊作者，他是享譽(yù)全球的**遺傳學(xué)家、HHMI教授、美國(guó)科學(xué)院院士。 因?yàn)轭I(lǐng)導(dǎo)解析了完整的人類基因組**圖譜，Evan 還被《時(shí)代周刊》評(píng)為“全球最具影響力100人”，因在基因組進(jìn)化及其創(chuàng)造新功能的潛力方面的工作以及與疾病相關(guān)的遺傳不穩(wěn)定性的研究而聞名。

“這項(xiàng)最近的研究是人類泛基因組參考聯(lián)盟和端粒到端粒(T2T)測(cè)序工作的直接應(yīng)用，為人類基因組中對(duì)染色體分離至關(guān)重要的復(fù)雜區(qū)域提供了新的生物學(xué)見解，”Eichler指出。

為了獲取有關(guān)人類著絲粒如何進(jìn)化的信息，研究小組將兩個(gè)完全測(cè)序的人類中心粒的基因序列與一些非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物的基因序列進(jìn)行了比較。這兩種靈長(zhǎng)類動(dòng)物分別是黑猩猩和猩猩，它們是類人猿，與人類親緣關(guān)系密切；還有獼猴，與人類的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)著絲粒的進(jìn)化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于人類基因組的其他獨(dú)特部分。它們是人類基因組中最容易發(fā)生突變的區(qū)域之一。研究人員還發(fā)現(xiàn)，著絲粒的獨(dú)特序列和結(jié)構(gòu)是不同進(jìn)化力量以不同速度運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。

“基因組中著絲粒區(qū)域的快速突變，以及它們不同的突變率，導(dǎo)致了它們不同的結(jié)構(gòu)和組織，”Logsdon指出。科學(xué)家們說，令人驚訝的是，基因組中如此重要的區(qū)域會(huì)發(fā)生迅速的變化，因?yàn)橐话銇碚f，關(guān)鍵功能往往是遺傳保守的。

科學(xué)家們計(jì)劃通過在不同的人類基因組和不同的器官和組織中開發(fā)更多的著絲粒遺傳圖譜，并對(duì)著絲粒序列進(jìn)行多代家族研究，來擴(kuò)大這些初步的努力。來自其他非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物的著絲粒的完整序列將為形成這些區(qū)域的進(jìn)化力量提供更好的模型。

展望未來，Logsdon等人希望有一天能將他們?cè)谥z粒上的發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到定制人類人工染色體的設(shè)計(jì)和工程中，從而改變醫(yī)學(xué)科學(xué)。幾年前，Logsdon和她的導(dǎo)師們致力于開發(fā)繞過著絲粒DNA的人類人工染色體，這對(duì)哺乳動(dòng)物的合成基因組研究構(gòu)成了限制。Logsdon和其他人最近在上周的《科學(xué)》雜志上發(fā)表了另一項(xiàng)研究，該研究表明，擴(kuò)大人工染色體DNA載體可以有效地在細(xì)胞中形成人類人工染色體。

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