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单细胞测序之单精子测序 精选

已有 12859 次阅读 2013-6-9 20:27 |系统分类:观点评述| 分子标记, 单细胞测序, 单个精子测序, 遗传图谱

 以图位克隆精细定位基因的过程中存在两个主要的难题,一是分子标记多态性,另一个则是重组交换低的问题。根据我们实验室多年克隆基因的经验上来看,二者似乎又是一对孪生兄弟般,形影不离。如果有多态的分子标记很丰富,那么重组率可能较低;如果交换率高,那么有多态的分子标记则较少。有多态的分子标记少,可以通过更换不同的遗传背景来解决,但如果交换率低,尤其是定位的基因位于基因富集区或者位于染色体端粒处,也就注定了在克隆过程中要动用庞大的群体。

基因区附近重组率低的问题一直是一个困扰学术界多年的问题。20121221日,《SCIENCE》发表了北京大学生物动态光学成像中心李瑞强课题组与哈佛大学谢晓亮课题组合作的研究论文“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,并且很好的解决了上述问题,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。

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,受限于实验技术的制约,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片段交叉重组定位结果,可以非常清晰地揭示片段交叉重组的分布以及个人水平上重组率的分布规律;第三,测序技术本身具有高通量、自动化等特点,随着未来测序成本的进一步降低,可以对一个人更多的精子进行测序,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。
      该项工作使用谢晓亮教授课题组新近发明的多次退火循环扩增技术(MALBAC)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 ,与之前的报道基本吻合。
      需要注意的是,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,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差别。其中,为什么基因区附近的重组率会降低,成为长期困扰学术界的一个难题。
      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,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。因此,利用单细胞全基因组测序技术,有望揭示更多的导致男性不育症的原因。
      另外,已有的研究表明,基因或基因组变异是肿瘤发生的根本原因,利用单细胞全基因组测序技术,可以对获取的肿瘤细胞进行更为精确和深入的分析,了解癌细胞的基因如何突变,以及肿瘤的来源、属于哪种基因型等,为早期检测和诊断肿瘤和肿瘤的个体化治疗提供指导。
      该研究被《SCIENCE》评为“Breakthrough of the year”,也被美国国家人类基因组研究所评选为2012/12月度“Genomic Advances of the Month”

 



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