改进的猿基因组装配为人类进化提供了新的见解

现在，在没有人类参考基因组指导的情况下，已经生成了新的，更高质量的大猿基因组。减少大猿基因组中“人性化”发现偏倚的努力提供了一个更清晰的观点，即当人类与其他灵长类动物分离时出现的遗传差异。

在6月8日出版的“科学”杂志上，研究人员报告了使用长读PacBio测序和远程绘图技术从头开始构建的改良猩猩和黑猩猩基因组。高度连续的，新组装的基因组为巨型类人猿中的新基因发现和高分辨率比较基因组学提供了更好的资源。

这个多机构项目涉及十几个研究中心的40多名科学家，由华盛顿大学医学院基因组科学系的霍华德休斯医学研究所研究员Zev N. Kronenberg和Evan Eichler领导。Kronenberg现在是Phase Genomics的高级计算生物学家。

科学家指出，人类和其他类人猿之间的许多遗传差异在他们的基因组首次进行比较时未得到认可。在那些早期的基因组组装草案中，结构快速变化的区域仍然模糊不清。这使得它们难以比较并且限制了区分人类与其他类人猿的功能差异的发现。

通过将长读序列组装与杂交基因组支架方法相结合，研究人员解决了猿基因组中的大多数缺口。这些间隙中的一些包含基因，这些基因现在在新基因组中被正确注释。为了更好地理解基因结构，作者通过对来自每个物种的超过500,000个全长基因进行测序来补充这一努力。

最新的研究提供了最全面的遗传变异目录，这些遗传变异在不同的猿谱系中获得或丢失。这些变体中的一些影响基因在人类和猿中的差异表达方式。

研究人员检查了一些遗传变异和基因功能调节因子对人类和猿类饮食差异，解剖学和大脑形成等领域可能产生的影响。

该研究小组对人类和大猿基因组的比较分析还包括一个大猩猩组装，一个非洲人类基因组的新组合，以及一个人类单倍体水合物痣组装。(因为它们仅包含配对的人类染色体的一半，对这些罕见的人类生长的研究有助于区分相似的重复基因。)所有基因组都使用相同的过程进行测序和组装。

此外，研究人员研究了大脑类器官 - 实验室培养的组织，这些组织从猿或人的干细胞中哄骗，并形成器官部分的简化版本。对这些大脑代理进行了检查，试图了解人类和黑猩猩大脑发育过程中基因表达的差异是否可以解释黑猩猩较小的脑容量，这是人类大脑体积的三倍。人类和黑猩猩大脑的皮层结构也存在显着差异。

研究人员在类器官中观察到，与黑猩猩相比，某些基因，特别是那些像桡神经胶质神经元祖细胞一样的基因，在人类中被下调。这些基因更有可能在人类分支中特别丢失DNA片段，这对于调节它们的表达非常重要。

科学家表示，这一发现与20世纪90年代由现已退休的威斯康星大学医学院基因组科学教授梅纳德奥尔森及其同事提出的“少即是多”假设相一致。该假设提出功能元素的丧失有助于人类进化的关键方面。

另一方面，某些人类基因似乎与神经系统中神经祖细胞和兴奋性神经元的上调有关。通过基因复制过程，与其他类人猿相比，这些基因更有可能在人类物种中获得额外的拷贝。

研究人员表示，他们最近的研究结果与之前的研究结果相吻合，这些研究表明，非洲大猩猩的共同祖先谱系的基因组可能在1000多万年前经历了节段性重复的扩展。遗传密码的这些重复序列可能已经使得大型猿基因组特别容易发生缺失和重复事件，从而加速了突变率，其主要后果有助于推动猿类物种的进化。

本科学论文中报道的其他发现源于对类似于现今逆转录病毒的化石病毒起源的调查，该病毒被认为存在于所有非洲猿的共同祖先的基因组中。高质量的序列有助于确定黑猩猩和大猩猩常见的“来源PtERV1”。现代黑猩猩和大猩猩携带数百个PtERV1逆转录病毒插入物，这些插入物似乎源自这种从未进入人类基因组的来源。早期的基因组草案忽略了“来源PtERV1”，因为它映射到了重复丰富的空白。

在该项目的其他方面，大猩猩和人类基因组装配的比较确定了在控制阴茎脊柱形态的重要基因附近的新大猩猩序列倒置，人类缺乏这种形态。这些小的皮肤表面肿块发生在猿和其他一些哺乳动物身上。

人类也经历了一些参与脂肪酸合成的基因的缺失。本项目确定了与膳食代谢相关的一些遗传变化。这些可能起到了与猿类进化相关的作用。伟大的猿饮食从保持严格素食到吃几乎任何东西。

这项研究的研究人员预测，更先进的远程测序和绘图技术，甚至更长的阅读测序，将有助于增加对类人猿和人类祖先所进行的进化旅程的了解。科学家警告说，猿类基因组及其对它们的研究尚未完成，因为基因组组装仍然缺少其他更大，更复杂的结构变异，这些变异尚未组装。

“我们的目标，”艾希勒说，“我们的目标是生成多种具有与人类基因组一样高质量的猿类基因组。只有这样，我们才能真正理解使我们成为独特人类的遗传差异。”