頭條新聞引人注目：科學(xué)家對白鯊的基因組進(jìn)行了測序?；蛘呤侵窈?，或者是金鷹。但為什么花這么多時間和金錢來計算不同物種的DNA構(gòu)成?我是一個進(jìn)化生物學(xué)家在佛羅里達(dá)州的計劃鯊魚研究。我們的研究重點(diǎn)是了解現(xiàn)代鯊魚和光線在其進(jìn)化過程中如何多樣化以殖民它們今天所占據(jù)的棲息地。

粗略篩選全基因組有助于識別遺傳標(biāo)記(基因序列)，以更好地了解群體水平過程。但是，全基因組測序的真正和持久價值只有在大量準(zhǔn)確的，高分辨率的基因組聚集在一起才能相互比較時才能實現(xiàn)。這種工作剛剛開始。

沒有說明的藍(lán)圖

有機(jī)體的基因組 - 其DNA的完整目錄 - 為其設(shè)計提供了藍(lán)圖。構(gòu)成基因組的DNA序列的差異是我們在個體中看到的差異的原因。

同卵雙胞胎在物理上彼此相似，因為它們的基因組是相同的。兄弟姐妹彼此相似，因為他們從同一組父母那里繼承了大量的基因組。與密切相關(guān)的物種看起來更相似，因為它們的基礎(chǔ)基因組更相似。

因此，如果我們有一個生物體的完整基因組序列，我們將獲得我們需要的所有信息，以“從頭開始”理解它是如何工作的。實際上，這是最初的人類基因組計劃的理由

但是有機(jī)體的基因組DNA序列可能含有數(shù)十億個核苷酸或基因構(gòu)建模塊。試圖將其生物體從其基因組序列中看起來的樣子拼湊起來就像試圖從到達(dá)光纖電話線接收端的“信息包”中了解成千上萬的同時傳輸?shù)碾娫拰υ?，而不是了解有關(guān)信息組織方式的任何信息。數(shù)據(jù)“全部存在”，但如果沒有明確的解釋器，很難知道它意味著什么?？茖W(xué)家們還不知道基因組中的所有信息是如何組織的，或者它的活動是如何編排的。

通過比較學(xué)習(xí)

如果解釋埋在基因組中的信息如此困難，為什么還要費(fèi)心收集數(shù)據(jù)呢?答案是，如果我們將基因組相互比較，我們可以推斷出哪些元素對特定的特征負(fù)責(zé)。

例如，人類和黑猩猩的基因組大約有98%相似。這意味著它們各自的基因組之間2%的差異必須以某種方式解釋它們的外觀和相關(guān)性狀的差異。并排比較基因組使我們能夠識別負(fù)責(zé)觀察到的差異的基因組部分。

顯然，仔細(xì)選擇要進(jìn)行哪些比較是很重要的。將人類基因組與鴨嘴鴨的基因組基因組進(jìn)行比較并不能告訴我們是什么讓人類 - 或者鴨嘴鴨的鴨嘴獸 - 因此變得如此“特別”。這兩個物種在大約1.5億年前發(fā)生了分化，它們的基因組和它們表現(xiàn)出的特征存在很多差異，因此不可能知道哪種基因組差異對哪些性狀負(fù)責(zé)。

然而，將人類和鴨嘴獸基因組(兩種哺乳動物)與鳥類基因組進(jìn)行比較，可以讓我們識別出與鳥類基因組共有的人類和鴨嘴獸基因組的各個方面。反過來，將幾種哺乳動物和鳥類的基因組與兩棲動物的基因組進(jìn)行比較將有助于我們縮小鳥類和哺乳動物與兩棲動物不同的基因組元素。

建立遺傳圖書館

像上述那樣的分層比較是比較基因組學(xué)的核心，這一領(lǐng)域旨在了解基因組中的變異模式如何與可觀察特征的變異模式相關(guān)聯(lián)或“映射到”。生物學(xué)家將這組關(guān)聯(lián)稱為“基因型 - 表型圖譜”。

顯然，科學(xué)家需要先知道生物體之間的進(jìn)化關(guān)系，然后才能確保我們收集的基因組信息是準(zhǔn)確的。如果它不準(zhǔn)確或不完整，我們可能會錯過基因型與其編碼特征之間的重要關(guān)聯(lián)。

下一代DNA測序和計算機(jī)科學(xué)的最新進(jìn)展正在徹底改變這些數(shù)據(jù)的收集和分析。但它仍然很昂貴。序列和組裝25億堿基對基因組(相比之下，人類基因組有大約30億個堿基對)的成本大約為30,000美元，其準(zhǔn)確性足以用于比較基因組工作 - 更多用于更大的基因組，例如肺魚或蠑螈。

一個國際科學(xué)家聯(lián)盟正致力于為符合此標(biāo)準(zhǔn)的所有脊椎動物收集高質(zhì)量的基因組序列。初步比較的重點(diǎn)是選擇代表不同脊椎動物群體進(jìn)化多樣性的物種 - 經(jīng)過仔細(xì)審查的鳥類，爬行動物，哺乳動物，兩棲動物和魚類。該項目于2018年9月發(fā)布了其首批15種高質(zhì)量參考基因組，包括加拿大ly ,,斑胸草雀和鈍性cl魚。

隨后的比較將填補(bǔ)進(jìn)化空白，直到我們最終擁有一套完整的高度準(zhǔn)確的基因組，可以相互比較。這些高度準(zhǔn)確的基因組將提高我們對基因型 - 表型圖的理解。它們還將作為研究人員的參考，試圖了解不同基因在指導(dǎo)正常發(fā)育中的作用，以及其他人探索發(fā)育異常，出生缺陷和遺傳疾病的可能原因。

其他測序計劃較少關(guān)注獲得用于比較基因組工作的高度準(zhǔn)確和/或完整的基因組。許多基本上是“釣魚探險”，尋找有趣的東西出現(xiàn)，或確定隨后可用于管理和保護(hù)工作的分子標(biāo)記。例如，最近發(fā)表的白鯊基因組發(fā)現(xiàn)嗅覺基因沒有預(yù)期的那么豐富，因為白鯊的嗅覺很好，白鯊的轉(zhuǎn)座因子比例較高 - 可以從一個位置移動的DNA序列基因組到另一個 - 比典型的。

這些項目通常是便宜得多，因為它們不是設(shè)計來獲取高分辨率的基因組圖譜與全覆蓋的基因組。不幸的是，它們對下游研究的效用有限。它們通常太不完整而不適用于發(fā)育生物學(xué)家，并且對于理解基因型 - 表型圖的用途有限。

盡管如此，它們確實有助于激發(fā)公眾對迅速發(fā)展的基因組學(xué)領(lǐng)域的興趣，這已經(jīng)在從基礎(chǔ)生物學(xué)到應(yīng)用個性化醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大影響。隨著更多高分辨率基因組的收集和比較，我們可以預(yù)期，我們對支撐不同生命形式的架構(gòu)的理解將呈指數(shù)級增長。