基因组学

比较基因组学进入“黄金时代”

PAG会议随笔之二:比较基因组学进入“黄金时代”

始于1990年的人类基因组计划(The Human Genome Project)开启了基因组时代。前期的基因组项目主要聚焦在各种模式生物,从原核生物(流感嗜血杆菌,1995)到真核生物(酿酒酵母,1996),从单细胞生物到多细胞生物(秀丽线虫,1998;果蝇,2000),从动物到植物(拟南芥,2000),从陆生生物到水生生物(河豚鱼,2002),从小基因组生物到大基因组生物(人,2001;小鼠,2002;大鼠,2004)。这些项目极大开阔了人类对生命认识的眼界,使人类的认识从描述性发展到分子水平。更重要的是,这些项目培育了新的基因组方法,形成正向反馈和链式反应,为推动基因组学领域的进一步发展打下基础,也促进了物种间的比较基因组学研究的开始。

这些模式生物基因组项目的成功,促进了非模式生物基因组项目,特别是重要农作物核畜牧动物的基因组测序。这些历史性进展促成了PAG会议的召开,并发展壮大。自1992年第一届PAG会议召开至今,PAG会议见证了所有动植物基因组项目的启动、发展和完成。迄今,几乎所有重要动植物基因组都得到测序。人们利用当时最先进的技术,获得了最高质量的基因组。当然,由于技术的局限,虽然获得的基因组虽然都被冠上“参考基因组”称号,但是它们的质量参差不齐。2017年第25届PAG会议的一个重要进展,就是人们开始关注参考基因组的质量,开发利用最新技术,构建“黄金级”、“白金级”参考基因组,并且开始系统地定义这个标准。具体内容在上一篇文章(PAG会议随笔之一:参考基因组“遍地开花”)中进行了介绍。

2017年PAG会议的另外一个重要进展是“重测序项目”(resequencing)的涌现。针对每一个重要动植物,除了构建参考基因组,人们都在开展大规模的重测序项目。这些重测序项目有很多实际意义,比如(通过GWAS分析)寻找决定优良性状的基因、动植物的驯化、以及跟踪物种的进化和起源。

动植物参考基因组项目,以及重测序项目,都产生了大量的基因组数据。这些数据在发表时往往只做了比较有限的分析,往往还存在巨大的潜在挖掘价值,是基因信息的金矿。 动植物参考基因组项目和重测序项目的爆发性的出现,使比较基因组学进入了一个黄金时代。这些比较基因组项目有些针对某个或某类物种(比如大豆),有些则针对一些研究主题(比如小RNA)。这里介绍今年PAG会议上报道的一些代表性比较基因组项目。

植物小RNA比较基因组学

美国University of Missouri的Blake Meyers系统比较了各种不同的小RNA,包括miRNA,siRNA,tasiRNA,phasiRNA,和hc-siRNA。这些小RNA 合成的方式不同,长度不同,作用的靶标不同,表达的组织不同,功能也不同。美国ColdSpring Laboratory(冷泉港实验室)的Rob Martienssen从功能(甲基化和表观遗传学,可变剪切)和应用(育种)方面深入介绍了小RNA。美国University of Georgia的KyungDo Kim对大豆品系的小RNA类型进行了比较分析,发现不同品系大豆合成的小RNA种类相差很大,通过GWAS分析发现,长度为24 NT的小RNA产量的降低与基因DCL3的突变相关。

系统发育基因组学(phylogenomics)

Universityof Georgia的Jim Leebens-Mack报告了它们在基因和基因组的比较基因组学分析方面的进展。Leebens-Mack认为,随着大量植物基因组的完成,植物比较基因组学,特别食系统发育基因组学时代已经到来。他系统介绍了一千个植物转录组项目(1000 PlantTranscriptome Project),进化树家族(TreeFam)项目,MADS Box基因家族,如何定义基因组家族,如何构建进化树,如何比较基于基因的进化树和基于物种的进化树等。

可变剪切的比较基因组研究

Universityof Florida的Brad Barbazuk报道了9个物种的可变剪切的保守性和进化。他说与动物相比,植物的可变剪切研究比较落后。可变剪切研究的一个重要问题是判断可变剪切的准确性。可变剪切可能受到很多因素的干扰,比如基因组组装,基因组的复杂性(全基因组重复),测序文库的质量可以导致intron retention的高估。Iso-Seq是一个研究转录和剪切的很好的方法,可以获得全长转录本信息,也获得可靠的可变剪切信息,只是目前的成本还是太高,还不能广泛使用于研究所有的物种,特别是表达含量较低的转录本。

2018年比较基因组学领域充满期待

随着更多动植物物种参考基因组的构建,重测序项目随之开展,在将来的一年里,随着大规模基因组或重测序项目的发起和推进,我们将看到比较基因组领域的飞速发展。2018年值得期待。

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