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好风借力,乘势解密——多组学多维揭示进化奥秘

好风借力,乘势解密——多组学多维揭示进化奥秘 百易汇能
2022-11-11
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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”。

在人类形成的过程中,有无数奥秘有待揭示,除了常规形态学考古,更需要探索深层次的基因信息。因此,Svante Pääbo博士开创性创造了一门新学科—古基因组学,通过揭示和比较现代人类与已灭绝人类的遗传基因差异,初步解释了我们今天成为独特人类的原因。同时,结合新学科的遗传学技术,Svante Pääbo团队完成了对尼安德特人线粒体DNA的解码,发现了尼安德特人与分布在欧亚的人群祖先通婚的证据,并发掘了曾不为人知的古人类丹尼索瓦人在基因上与现代人的关系。

古基因学里的现代技术

基因组学测序

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。
其中对西伯利亚南部的丹尼索瓦洞穴中发现的丹尼索瓦5号脚趾骨的测序中,得到了高质量的结果。样本通过Illumina测序平台完成50x深度的基因组测序,获得的1.7GB数据中有99.9%可以映射到人类基因组的特异性DNA序列,且至少被覆盖了10次。研究中现代人类DNA的污染率约为1%。

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。 

人类进化研究的钥匙

从基因组学到多组学

基因组学技术在溯源人类进化与发展的研究中展现了不可替代的作用。之前,研究者更多依靠考古和生物学指标来探索进化的秘密。然而,这些信息远不能揭示人群中的遗传性关系。 DNA序列信息的出现,正在重塑我们对人类演化历史及遗传的理解。基因组学的发展,为人类进化的研究提供了一把把解密的钥匙。例如,通过线粒体DNA序列信息探索母系遗传、通过Y染色体测序挖掘父系遗传信息、结合全基因组测序等信息多维度探索人类群体的起源、关系、历史、结构和迁移模式的问题。

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。


多组学助力提供多维生物学视角

多组学将基因组数据与转录组学、表观遗传学、蛋白质组学其他模式的数据相结合,可检测基因表达、基因激活和蛋白质水平表达,可以助力在多个生物学层面平行探索,为解决复杂问题提供更全面视角。同时,多组学分析研究能够帮助我们更全面地了解分子变化对正常发育、细胞应答和疾病的影响。研究人员可以借助多组学技术更好地将基因型与表型联系起来,不断探索、发现新药物靶点和生物标志物,加速临床转化。

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。


结 语

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。高通量测序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,高通量测序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。

END

以上提到的转录组学、基因组学、表观遗传学、蛋白质组学等是目前研究较为火热的组学技术,多组学联合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

百易汇能生物致力于为客户提供更好的产品体验,坚持不断地优化多组学测序产品,基于客户的研究目的,给客户提供最优的实验方案,也将不断地对各产品实验端、分析端进行优化升级,给大家带来更加优质、专业的服务!

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武汉百易汇能生物科技有限公司坐落于武汉光谷高农生物园总部,是一家专注于第二代、第三代测序技术在人类健康和生命科学研究两大领域的高新技术企业。公司现有软件著作60余项,发明专利6项;公司成立以来累计参与发表文章170余篇,其中包括Cell,Nature Genetics,PNAS,Food Chemistry等各领域顶级期刊。

【声明】内容源于网络
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百易汇能生物拥有二代测序平台、质谱平台及单细胞平台。为客户提供专业、高效的单细胞、基因组、转录组、微生物组、蛋白组、代谢组等服务。专注于高通量测序技术在医学健康和生命科学领域的应用,提供国内领先的基因测序服务。
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