人類科學的又一大步：納米技術完全測序人類X染色體

　　人類基因組計劃啟動于1990年，如今已匆匆過去30年光景。從2000年人類基因組草圖宣告完成后的二十年間，人類參考基因組不斷更新迭代。即便如此，其中依然存在數以百計的空缺，尚無一條染色體被真正完成 [1]。

　　如今，科學家首次完成了一條 “從頭到尾” 真正完整的人類染色體測序。7月14日，《自然》雜志上刊載了美國加利福尼亞大學圣克魯茲分校的 Karen Miga 教授團隊的研究成果 [2]。該團隊使用最新的納米孔測序技術，首次完成了從端粒到端粒、完整無缺的人類X染色體序列。這或許意味著，真正完成人類基因組測序的時代已經觸手可及。

　　1、霰彈槍、拼圖與地圖上的空缺

　　過去，人類基因組計劃使用的測序方法只能用來測定較短的DNA序列，長度在100到1000個堿基對間。因此，較長的序列被剪切成末端重復的碎片，并依靠這些重復的部分將碎片重新組裝成完整的序列。這種測序方法也被形象地稱為 “霰彈槍測序法”。

　　這種方法重建基因組的最大挑戰在于如何區分重復的序列 [3]。人類基因中有大量重復的序列，這使得測定出來的許多短鏈幾乎一模一樣，既難以拼接，也難以判斷到底存在多少個重復區段。就像拼圖中我們往往把天空或湖水的部分留到最后，因為在大片的同色色塊里，我們便難以確認具體某塊拼圖的位置一樣。

　　現在參考基因組中的空缺包括核糖體DNA序列，著絲粒（在細胞分裂時連接兩條染色體單體的部位，它們將染色體分為長臂和短臂）中高度重復的DNA序列，此外，還有一些富含重復片段的區域，這些重復片段動輒有超過數十萬堿基對，重復率超過98% [2]。“目前基因組圖譜上缺失的部分，也恰是在人群中序列變異最多的部分，也因此為基因生物學和人類疾病的研究提供了未經探索的序列。完整的基因組圖譜有潛力加深我們對遺傳疾病的了解。而我們選擇X染色體的研究正是因為它和無數的疾病有關，其中包括血友病，慢性肉芽腫性疾病和杜氏肌營養不良。” Miga 教授告訴《知識分子》。

　　2、基因的 “安檢儀”

　　要應對黑暗區域的挑戰有兩種途徑：要么測的序列長到可以覆蓋一整個重復部分；要么測序足夠精確，可以通過區分獨特的變量來區分重復的序列 [4]。最新的納米孔測序技術為超長測序提供了可能。

　　圖1：DNA通過納米孔，隨著G、A、T、C堿基以不同的序列通過，電流也產生不同的變化（來源：參考文獻5）

　　在實驗中，研究人員讓DNA鏈通過一個嵌在電阻膜上的納米孔，就像行李通過X光安檢儀一樣，“掃描” 出DNA上的堿基序列。在測序時，電阻膜被浸入電解質溶液中，并讓離子電流通過納米孔，當DNA鏈上不同的堿基通過納米孔時，會對這個電流產生干擾。通過解碼這些電流信號，研究人員就可以測得特定的DNA或RNA片段。

　　納米孔技術不僅可以實時分析長DNA片段，而且理論上不再有DNA的長度限制。Miga 教授告訴《知識分子》，“如果你能讓一條百萬堿基對長的DNA通過納米孔，它就能識別整條序列。使用了這種超長測序技術后，我們可以獲得一個非常非常長鏈的（超過十萬堿基對）、高覆蓋率的數據庫，從而幫助我們跨越和準確拼裝富含重復序列的安檢儀。”

　　3、新的里程碑

　　Miga 教授和她的團隊完成的X染色體序列完整無缺，且估算有至少99.99%的準確率，這意味著平均每1萬堿基對才有一個錯誤。在對X染色體的研究中，Miga教授和她的團隊重建了約2.8兆堿基對的著絲粒中的DNA序列，并且填補了X染色體所剩的29個空缺部分，包括擬常染色體區域和CT抗原基因家族中的新序列，CT抗原基因家族是一種腫瘤特異性抗原，有望用作癌癥的免疫治療 [2]。

　　加利福尼亞大學圣克魯茲分校的助理研究科學家 Jain Miten 告訴《知識分子》，“端粒到端粒的完整染色體測序是基因組學里程碑式的時刻，而超長測序的技術和算法的發展是使之得以實現的主要因素之一。了解這些曾是未知的‘黑暗區域’的序列結構和表觀基因序列圖譜，會為生物學帶來新的視角。同時，這也是一個分階段的，端粒到端粒的，完整基因組時代到來的界標。”

　　接下來，Miga 教授和她的團隊將繼續致力于從人類基因組剩余的 “處女地” 上捕捉新的序列和表觀基因的變異。Miga 教授表示：“我們目前已經有了巨大的進展，并且希望可以在不遠的未來和公眾分享。我們發現有一些特定的染色體比其他的更容易組裝（比如8號和6號）。最難的染色體是帶著幾乎相同的核糖體DNA序列的近端著絲粒染色體如13、14、15、21和22號。同時我們也需要開發新的技術來面對1號、9號和16號染色體上大型人類衛星DNA序列的挑戰。”