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Genome Biology:研究揭示哺乳动物基因组脆性区域“产生消亡”

2010/12/02 来源:生物通
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导读
一直以来基因组脆性区域被认为在进化过程中发挥关键性的作用。近期来自加州大学圣地亚哥分校的一项新生物信息学研究发现哺乳动物基因组的脆性区域经历了一个“产生与消亡”的过程。研究结果发表在11月30日的《基因组生物学》(Genome Biology)杂志上。新研究发现有助于研究人员在人

一直以来基因组脆性区域被认为在进化过程中发挥关键性的作用。近期来自加州大学圣地亚哥分校的一项新生物信息学研究发现哺乳动物基因组的脆性区域经历了一个“产生与消亡”的过程。研究结果发表在11月30日的《基因组生物学》(Genome Biology)杂志上。新研究发现有助于研究人员在人类基因组中鉴别脆性区域,并可通过这一信息预测未来人类基因组的进化。

“地球上每个物种的基因组结构都会随进化发生改变,人类也不例外。虽然我们还不知道人类基因组的下一个重大改变是什么,但我们的方法将有助于确定人类基因组可能发生变化的位点,”论文的作者、加州大学圣地亚哥分校计算机科学系教授Pavel Pevzner说。

基因组脆性区域是基因组中的不稳定区域,脆性区域断裂可启动染色体重排,基因断裂,改变基因调控,在基因组进化和新物种的产生中发挥着关键性的作用。例如人类有23对染色体,而一些猿类却有24对染色体,这是因为我们的猿类祖先在进化过程中基因组重排使得两条染色体发生融合而形成了人类的2号染色体。

这项研究工作主要是由Pevzner和Max Alekseyev共同完成。Max Alekseyev是一名计算机科学家,最近才完成了在加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院的博士课题,现在受聘为南加州大学计算科学系教授。

逆转脆性断裂模型

2003年Pevzner和加州大学圣地亚哥分校的数学系教授Glen Tesler发生基因存在有一些“断裂区”,从而使其相对于基因组其他区域更容易发生重排。他们的“脆性断裂模型”反驳了当时被广泛接受的“随机断裂模型”。 尽管在过去的七年里,脆性断裂模型得到了许多研究的证实,然而科学家们仍无法获得人类基因组脆性区域的精确定位。

新研究发现为脆性断裂模型提供了最新的信息,研究人员将其命名为“逆转脆性断裂模型。”新研究结果证实在进化过程中脆性区域经历了一个产生和消亡的过程,并提供了一条确定人类基因组脆性区域定位的线索。

计算:找到脆性区域

“在基因组中寻找脆性区域就好像要求你观察一副打乱的牌,然后尝试确定洗牌的次数。在观察基因组时,你也许可以找到断裂点,然而要确定其是否是脆性区域,你就必须确定在相同的基因组位置断裂次数超过了一次。我们通过分析现在存在的所有基因组来计算哪些区域发生了多次基因组震动。所谓重组的概念并不是仅适用于某一个时间点的某一个基因组,而是观察到多个基因组的相关性,”Pevzne说:“在这次研究中我们采用了比较基因组学的方法。”

“值得注意的是虽然脆性区域有可能为各种不同的基因组共有,但大多数这样的共有脆性区域都存在于进化接近的基因组中。这表明任何特定基因组脆性区域有可能仅出现一段有限的时间。根据新提出的逆转脆性断裂模型学说,脆性区域都会经历一段‘产生和消亡’的过程,因而有着有限的存在期,”Alekseyev说。

逆转脆性断裂模型表明基因组重排更可能发生在近期发生过重排的位点,并且这些重排位点在千万年的时间里不断发生改变。因此研究我们的近亲――猩猩和其他灵长类动物的重排将为寻找人类基因组脆性区域的当前位置提供最好的线索。

Pevzner现在正热切等待获得来自基因组10k计划灵长类基因组测序结果。 “在未来人类基因组重排最有可能发生在最近灵长类动物中发生断裂的位点,”Pevzner说。

新的逆转脆性断裂模型将不仅有助于研究人员研究所有物种,并且可在个体水平上了解基因组重排。在未来,计算机科学家们希望利用相似的工具观察反复发生在个别癌症患者细胞内的染色体重排,并以此开发出新的癌症诊断技术和治疗药物。

 

原文出处:

Genome Biology 2010, 11:R117 doi:10.1186/gb-2010-11-11-r117

Comparative genomics reveals birth and death of fragile regions in mammalian evolution

Max A Alekseyev and Pavel A Pevzner

Abstract (provisional)

Background

An important question in genome evolution is whether there exist fragile regions (rearrangement hotspots) where chromosomal rearrangements are happening over and over again. Although nearly all recent studies supported the existence of fragile regions in mammalian genomes, the most comprehensive phylogenomic study of mammals raised some doubts about their existence.

Results

Here we demonstrate that fragile regions are subject to a birth and death process, implying that fragility has a limited evolutionary lifespan.

Conclusions

This finding implies that fragile regions migrate to different locations in different mammals, explaining why there exist only a few chromosomal breakpoints shared between different lineages. The birth and death of fragile regions as a phenomenon reinforces the hypothesis that rearrangements are promoted by matching segmental duplications and suggests putative locations of the currently active fragile regions in the human genome.

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