科学家利用新技术组装寨卡病毒蚊子的基因组

一个跨越贝勒医学院，莱斯大学，德克萨斯儿童医院和麻省理工学院和哈佛大学的研究所的团队开发了一种新的基因组序列方法，它可以完全从头开始组装有机体的基因组，显着更便宜，更快。虽然医学上对所谓的“1000美元基因组”感到非常兴奋，但当医生命令患者的DNA序列时，该测试仅将患者的DNA片段与参考基因组进行比较。从头开始生成参考基因组的任务是完全不同的事情; 例如，最初的人类基因组计划耗时10年，耗资40亿美元。从头开始快速，轻松地生成参考基因组的能力将为从患者到肿瘤到地球上所有物种的所有事物创建参考基因组打开大门。今天在科学，多机构团队报告了一种方法 - 称为3D基因组装配 - 可以创建一个完全从头开始的人类参考基因组，价格低于10,000美元。

为了说明3D 基因组装配的强大功能，研究人员汇集了携带寨卡病毒的埃及伊蚊的12亿字母基因组，产生了其三条染色体中每条染色体的第一个端到端组装。新的基因组将使科学家能够通过识别病毒用于传播的蚊子的脆弱性来更好地对抗寨卡病毒的爆发。

人类基因组是一个由60亿个化学字母组成的序列，称为碱基对，分为23对染色体。尽管DNA测序成本下降，从头开始确定每条染色体的序列，这一过程称为从头基因组装配，仍然非常昂贵，因为染色体长达数亿个碱基对。相比之下，今天廉价的DNA测序技术可以产生短读数，或者数百碱基对长的DNA序列片段，这些片段旨在与现有的参考基因组进行比较。实际上，生成参考基因组并组装所有这些长染色体涉及以数十万美元的成本组合许多不同的技术。不幸的是，由于人类基因组彼此不同，在诊断不同人的过程中使用由一个人产生的参考基因组可以掩盖导致患者病情的真正遗传变化。

“作为医生，我们有时会遇到我们知道必须进行某种基因改变的患者，但我们无法弄清楚它是什么，”德克萨斯州儿科全球健康计划的医学科学家Aviva Presser Aiden博士说。儿童医院，新研究的合着者。“为了弄清楚发生了什么，我们需要可以报告患者整个基因组的技术。但是，我们也无法承担在每个病人的基因组上花费数百万美元的费用。”

为了应对这一挑战，该团队开发了一种称为3D装配的新方法，通过研究染色体如何在细胞核内折叠来确定每条染色体的序列。

“我们的方法与传统的基因组装配完全不同，”贝勒医学院基因组建筑中心的博士后研究员Olga Dudchenko说。“几年前，我们的团队开发了一种实验方法，可以让我们确定2米长的人类基因组如何折叠以适应人体细胞的细胞核。在这项新研究中，我们表明，就像这些折叠一样地图跟踪基因组的轮廓，因为它在细胞核内折叠，它们也可以引导我们完成序列本身。“

通过在折叠时仔细追踪基因组，研究小组发现它们可以将数亿个短DNA读段拼接到整个染色体的序列中。由于该方法仅使用短读取，因此它显着降低了从头基因组装配的成本，这可能加速临床中从头基因组的使用。“使用3D装配从头开始对患者的基因组进行测序是如此便宜，以至于其成本与MRI相当，”Dudchenko说，他也是莱斯大学理论生物物理中心的研究员。“为病人创造一个从头基因组已经变得切合实际。”

与当今临床中使用的基因测试不同，患者基因组的从头组装不依赖于人类基因组计划产生的参考基因组。“我们的新方法不依赖于先前关于个体或正在测序的物种的知识，”Dudchenko说。“这就像能够随时随地执行人类基因组计划。”

“或者无论你想要什么，”贝勒的基因组架构中心主任，新工作的通讯作者Erez Lieberman Aiden博士说。“因为基因组是从头开始生成的，所以3D组装可以应用于各种物种，从灰熊到番茄植物。这很容易。有动力的高中生可以访问附近的生物实验室，可以组装参考一个实际物种的质量基因组，如蝴蝶，用于科学公平项目的成本。“

随着埃及伊蚊(Aedes aegypti)蚊子携带的寨卡病毒的爆发，这一努力变得更加紧迫。研究人员希望利用蚊子的基因组来确定抗击该疾病的策略，但伊蚊的基因组尚未得到很好的表征，其染色体比人类的染色体长得多。

“我们多年来一直在讨论这些想法 - 在这里编写一大堆代码，在那里进行原理证明，”贝勒曼分子和人类遗传学助理教授，赖斯计算机科学和大四学生说。理论生物物理中心的研究员。“所以我们只有坐在我们的计算机上的埃及伊蚊的集合数据。突然间，有一种寨卡病毒的爆发，基因组学社区被激发了伊蚊。这是一个转折点。”

“随着寨卡病毒的爆发，我们知道我们需要尽一切力量尽快分享伊蚊基因组装配和我们的方法，”Dudchenko说。“这个从头的基因组装配只是与寨卡战斗的第一步，但它可以帮助提供社区更广泛的努力。”

该团队还汇集了Culex quinquefasciatus蚊子的基因组，这是西尼罗河病毒的主要载体。“ 库蚊是另一个重要的基因组，因为它负责传播这么多疾病，”利伯曼艾登说。“尽管如此，试图猜测基因组提前是关键的并不是一个好计划。相反，我们需要能够对意外事件做出快速反应。无论是医疗急症患者还是爆发患者流行病，这些方法将使我们能够在几天而不是几年内组装新的基因组。“