Nature：研究人员组装了16种动物的精准基因组——还有7万种

新西兰不会飞的鸮鹦鹉遇到了麻烦。这种世界上最重的鹦鹉——代表着鹦鹉家族树中最古老的分支之一——已经濒临灭绝，只有200只成年鹦鹉在四个小岛的灌木丛中艰难跋涉。最后的鸮鹦鹉是否具有生存下来的遗传适应力，这个问题只有高质量的基因组分析才能回答。

但鸮鹦鹉没有高质量的基因组组合，今天存活的7万种脊椎动物中的大多数也没有。

从不会飞的鸮鹦鹉到可爱的小头鼠海豚，关于如何最好地防止物种灭绝的问题还没有答案。是近亲繁殖导致这些种群在基因上无法存活吗?人类是这些动物濒临灭绝的唯一原因吗?还是它们的DNA中有某种固有的缺陷?

解决方案是“脊椎动物基因组计划”，这是一项雄心勃勃的计划，旨在为所有现存脊椎动物物种生成高质量的参考基因组。现在，在他们发表在《自然》杂志上的旗舰研究中，他们提出了测序和组装高质量参考基因组的方法和原理。

该团队应用这种方法和原则，生产了16个高质量的参考基因组，其中一个是濒临灭绝的鸮鹦鹉，以帮助揭示它是否足够坚强来重建种群。研究人员发现，自1万多年前的最后一个冰河时代以来，极度少量的濒危鸮鹦鹉和小头鼠海豚种群能够通过清除近亲繁殖导致的有害突变而存活下来。只要人类不杀死更多仅存的动物，高质量参考基因组的发现给这些物种带来了希望，它们可以在不到100个个体的情况下存活。

“我们称之为‘厨房水槽法’——将几家生物技术公司的工具结合起来，制造出一条高质量的基因组组装管道，”洛克菲勒的脊椎动物基因组项目主席埃里克·d·贾维斯(Erich D. Jarvis)说。“濒危物种最先从这项新技术中受益，因为尽管保护不是我的研究领域，但我觉得这是一种道德责任。”

研究低质量的基因组

高质量的参考基因组只适用于实验室科学中的名人——老鼠、果蝇、斑马鱼，当然也包括人类。对于不那么受欢迎的物种，通常没有参考基因组，或者更糟的是，从快速而肮脏的方法获得的序列拼接在一起的混乱基因组。研究人员发现，与新的VGp基因组相比，这些基因组中多达60%的基因序列缺失，或完全缺失，或组装错误。要解开每个物种数以千计的装配错误可能需要数年时间。

许多错误的基因重复被发现，大部分是由算法造成的，由于没有适当地分离出母体和父母体的染色体序列，而是将它们解释为两个单独的姐妹基因。“在文献中，我们有成千上万的基因是错误的复制。基因实际上并不存在!”贾维斯说。“研究其中一些基因组是不合情理的。”

脊椎动物基因组项目诞生于其母公司基因组10K联盟(Genome 10K consortium)中数百名科学家的挫折之中，该联盟的使命是生成10000种脊椎动物的基因组集合。G10K和其他类群最初的基因组组装是基于35到200个碱基对的短片段，但这些组装高度不完整。VGp的目标是为所有脊椎动物物种建立一个无错误参考基因组库，研究人员和自然资源保护主义者将能够随时使用，而无需花费数月或数年时间来修复单个基因。“我们说，让我们在前端做一些艰苦的工作，这样我们就可以在后端获得高质量的数据，”Jarvis说。

“厨房水槽”的方法

许多公司接洽了脊椎动物基因组项目，承诺用一种单一的测序技术来解决混乱参考基因组的所有问题。脊椎动物基因组项目组装团队在一只蜂鸟上测试了每种方法，之所以选择这两种方法，一方面是因为蜂鸟的基因组相对较小，另一方面是因为贾维斯对鸟类发声学习的研究兴趣(他打趣说，“一石二鸟”)。但每项技术都不足。贾维斯说:“没有一家公司具备制造高质量组装所需的所有组件。”所以我们将许多工具整合到一个管道中。”

他们的方法是有效的。包括地球生物基因组计划、达尔文生命树计划和新西兰基因组测序计划在内的组织已经在使用这种新管道的最先进版本。曾经需要数年才能生成的参考基因组，现在只需几周或几个月就可以推出——完全没有以前组装时出现的错误复制和其他错误。科学家们已经在利用这些新数据研究使蝙蝠对COVID-19免疫的基因，并对基础科学中长期存在的惯例提出质疑，例如，在人类、鸟类、爬行动物和鱼类中发现的催产素及其受体之间是否存在显著差异。

随着这条新管道的推出，总共有20项研究和25个高质量的脊椎动物基因组。贾维斯说:“我们测序的第一批高质量基因组教给了我们很多有关技术和生物学的知识，所以我们决定在这些最初的论文中发表。”但前方仍有大量工作要做。“下一步是对所有1000个脊椎动物属进行测序，然后是所有10000个脊椎动物科，最后是所有脊椎动物物种的测序。”

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