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Cell综述:高通量染色体构造捕获技术将为宏基因组分析再添一把力

2015/12/10 来源:生物探索
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导读
本月cell的子刊 trends in genetics对染色体构造捕获的宏基因组分析新方法进行了综述与展望。这项新技术对DNA分子的接触部分进行量化,能鉴定出相同细胞亚结构的部分,允许不同种属混合的基因组而做出鉴定,为复杂群落中的离散个体基因组测序带来曙光。

微生物群落是错综复杂的,在人体内环境或自然环境中都起到了重要的作用。这些群落的基因组分析发展很快,但一直因拼接个体种属全基因组方面的困难所束缚。最近基于染色体构造捕获的宏基因组分析新方法出现了。本月cell的子刊 trends in genetics对这项新技术进行了综述与展望。这项新技术对DNA分子的接触部分进行量化,能鉴定出相同细胞亚结构的部分,允许不同种属混合的基因组而做出鉴定。此技术开发出了染色体的3D结构记号,为复杂群落中的离散个体基因组测序带来曙光。这项技术也有能够准确地将染色体外结构如质粒、转座子、病毒或噬菌体对应上它们的宿主细胞的潜力。

由于90-99%的环境微生物是不可分离培养的,而自然状况中它们很多种属都是共生的。为了解决研究复杂环境微生物包括人体内环境如肠道菌群等的微生物群落,人们从群落的DNA着手:16 rRNA 可以区分出这些微生物的种属多样性信息;而宏基因组技术是着眼于微生物生态系统的全局,将这个群落中所有DNA作为研究对象。第二代甚至是第三代测序以及相关计算机分析技术的进步已经允许我们初步了解这些微生物群落中的DNA序列信息。但是目前这些测序技术都是较短的读长,很难扩展到大分子。这就让群落里不同种属微生物的DNA数据汇集在一起时的拼接出现困难。在这些微生物群落里除了核心基因组还有质粒、移动单元、病毒或噬菌体所带来的动态过程,对整个生态过程有很重要的作用。目前的测序技术还无法知道这些染色体外移动单元的宿主细胞是谁,动态移动过程发生在什么之间。

而最近能为测序带来有潜力的突破是染色体3D物理记号的开发。这种新技术叫做染色体构造捕获(3C),通俗的来讲是“接触基因组”,目标是捕捉DNA分子的物理性接触。3C技术首先有一个固定的过程,通过甲醛交联,固定和捕捉染色体内和染色体检的DNA区域。交联的DNA会被酶切,稀释,加接头测序。示意图中简要展示了染色体构造捕获(3C)技术和普通高通量测序的不同步骤。这样的染色体接触性图谱反应了基因组是如何构成的。统计接触的次数能够初步估计出两个分离位点的距离,能够让属于染色体内接触的分析范围提升到几个kb到1个1Mb,跨越了目前发表大部分基因组的空白区域。目前已经有三篇文章运用3C 接触数据提高了个体基因组的拼接。由于接触基因组在染色体序列拼接方面的优势,科学家从去年开始将其运用到宏基因组上。3C宏基因组是将整个生物群落作为一个大的特殊染色体亚细胞组分来考虑的,将统计它们的接触频率分析不同组分的DNA。

总之运用3C高通量染色体构造捕获技术的接触基因组研究将能解决高通量测序中的现有挑战性问题,为宏基因组研究再添一把力。可以用来揭示环境如何影响基因组构成,动态变化、生物在生态环境中的可塑性以及它们对环境的响应。

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