自1萬(wàn)年前馴化以來(lái)，山羊的許多禮物都是肉，牛奶，衣服和陪伴?，F(xiàn)在，山羊已將其DNA貢獻(xiàn)給一項(xiàng)研究，該研究為高質(zhì)量，低成本的基因組重建提供了一種新方法。

除了山羊基因組，這種技術(shù)將有助于準(zhǔn)確讀取個(gè)體和其他動(dòng)物，植物和昆蟲(chóng)的基因組。該研究由國(guó)家人類(lèi)基因組研究所(NHGRI)的研究人員，NIH的一部分和美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)*于2017年3月6日在Nature Genetics上發(fā)表。

“我們開(kāi)發(fā)了一種新技術(shù)，用于重建高度準(zhǔn)確的參考基因組并將其應(yīng)用于國(guó)內(nèi)山羊 - 我們開(kāi)玩笑地稱(chēng)之為”史上最偉大的基因組“，Adam M. Phillippy博士說(shuō)。，NHGRI 計(jì)算與統(tǒng)計(jì)基因組學(xué)研究所的研究員。準(zhǔn)確的參考基因組對(duì)于了解生物體的生物學(xué)，了解健康和疾病的遺傳原因以及動(dòng)物的繁殖決策非常重要。

Phillippy博士負(fù)責(zé)該分支機(jī)構(gòu)的基因組信息學(xué)部門(mén)(GIS)，該部門(mén)在GitHub 軟件上開(kāi)發(fā)和公開(kāi)發(fā)布，以支持基因組學(xué)研究。“現(xiàn)在我們已經(jīng)證明這些方法可以產(chǎn)生高質(zhì)量的基因組重建，它們可以應(yīng)用于個(gè)體人類(lèi)基因組和其他動(dòng)物的遺傳疾病研究，”他說(shuō)。

研究中使用的DNA來(lái)自一只名為Papadum的山羊，這是一種溫和而罕見(jiàn)的雄性動(dòng)物，來(lái)自生活在加利福尼亞州圣地亞哥海岸附近圣克萊門(mén)特島的動(dòng)物。數(shù)百年前，捕鯨船和商船攜帶山羊作為食物，據(jù)稱(chēng)在前往港口之前將它們丟棄在島上。由于圣克萊門(mén)特山羊被限制在一個(gè)小島上，它們相互交配并且在遺傳上密切相關(guān)。通過(guò)從近親繁殖的基因組開(kāi)始，研究人員推斷它將更容易完成。

“由于動(dòng)物在發(fā)展中國(guó)家作為食物來(lái)源的重要性，我們從山羊基因組開(kāi)始，”Timothy P. Smith博士說(shuō)，他是美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局在內(nèi)布拉斯加州克萊中心的分子遺傳學(xué)家，他發(fā)起了這項(xiàng)研究。該項(xiàng)目。“一個(gè)完整，準(zhǔn)確的山羊基因組最終將允許農(nóng)民選擇和培育具有基本特性的動(dòng)物，如優(yōu)質(zhì)牛奶和肉類(lèi)以及??耐受極端環(huán)境的能力。” 該國(guó)家生物技術(shù)信息中心免費(fèi)提供山羊基因組，該基因組由美國(guó)國(guó)際開(kāi)發(fā)署提供的14萬(wàn)美元資助，作為其“ 飼料未來(lái)”倡議的一部分。

之前已嘗試過(guò)山羊參考基因組，但與使用過(guò)去技術(shù)分析的許多基因組一樣，它是不完整且高度分散的。這個(gè)問(wèn)題部分歸因于脊椎動(dòng)物基因組的龐大規(guī)模。它們無(wú)法在一個(gè)步驟中從頭到尾排序。相反，必須首先將DNA分解成較小的片段，每個(gè)片段經(jīng)受化學(xué)反應(yīng)，從而推導(dǎo)出其堿基對(duì)的同一性和順序。研究人員隨后閱讀了許多較短的片段(每片幾百或幾千個(gè)字母)，并從這些較小的片段中“組裝”基因組，就像拼圖一樣。必須通過(guò)勞動(dòng)密集且昂貴的整理過(guò)程來(lái)糾正基因組中的差距和錯(cuò)誤。

為了開(kāi)發(fā)山羊參考基因組，研究人員使用了多種方法，包括2011年發(fā)布的PacBio測(cè)序.Phillippy博士和高級(jí)GIS科學(xué)家Sergey Koren博士是這項(xiàng)技術(shù)的早期采用者，并且發(fā)展很重要這些工具可以為基因組的各個(gè)部分組裝成千上萬(wàn)個(gè)非常精確的地圖，稱(chēng)為重疊群。

“這就像擁有每個(gè)城鎮(zhèn)的偉大路線(xiàn)圖，”Phillippy博士說(shuō)。“但是沒(méi)有地圖顯示所有城鎮(zhèn)如何相互連接。”

為了將山羊基因組的所有較小的地圖連接成每個(gè)染色體的完整圖譜，研究人員使用光學(xué)映射來(lái)觀(guān)察長(zhǎng)的單鏈DNA的結(jié)構(gòu)，以及“Hi-C”染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)，它可以重建每個(gè)細(xì)胞核中折疊DNA的線(xiàn)狀結(jié)構(gòu)。

“之前已經(jīng)將PacBio測(cè)序，光學(xué)作圖和Hi-C用于基因組裝配，但我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)將所有這些組合在一起，我們可以以合理的價(jià)格獲得非常全面和準(zhǔn)確的基因組圖譜，”博士科倫說(shuō)。“以前的方法使得染色體不完整或分成許多碎片，使得染色非常昂貴。”

在過(guò)去的十年中，科學(xué)家已經(jīng)對(duì)豬，牛和雞等重要農(nóng)業(yè)動(dòng)物的基因組進(jìn)行了部分解碼，但仍存在差距。博士。Phillippy和Koren希望使用山羊上展示的裝配“配方”來(lái)重建這些和許多其他脊椎動(dòng)物物種的完整基因組。為此，他們將為Genome10K項(xiàng)目做出貢獻(xiàn)，該項(xiàng)目計(jì)劃對(duì)每個(gè)脊椎動(dòng)物屬中至少一個(gè)個(gè)體的基因組進(jìn)行測(cè)序 - 大約10,000個(gè)基因組 - 以更好地了解基因組功能和進(jìn)化，并協(xié)助保護(hù)瀕危物種。

除了研究人類(lèi)，豬，奶牛的完整基因組外，Phillippy博士及其團(tuán)隊(duì)正在研究傳播寨卡病毒和瘧疾的蚊子的完整參考基因組。他們還在研究新興的“納米孔”基因組測(cè)序方法，用于人類(lèi)疾病和癌癥的實(shí)時(shí)診斷。

“我們將繼續(xù)降低成本，提高基因組測(cè)序和組裝的質(zhì)量，”Phillippy博士說(shuō)。

可悲的是，Phillippy博士說(shuō)，捐贈(zèng)DNA的山羊Papadum于2015年去世，但他的貢獻(xiàn)將繼續(xù)存在于基因組學(xué)研究領(lǐng)域，并可能存在于世界各地的山羊群中。