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华盛顿大学西雅图分校、犹他大学和PacBio公司等机构的研究人员近日统计了一个大家族中四代人的新发突变情况，发现突变率高于预期，而且基因组特定区域的变化相对较快。
华盛顿大学西雅图分校、犹他大学和PacBio公司等机构的研究人员近日统计了一个大家族中四代人的新发突变情况，发现突变率高于预期，而且基因组特定区域的变化相对较快。
这篇题为“Human de novo mutation rates from a four-generation pedigree reference”的论文于4月23日发表在《Nature》杂志上。
通讯作者、华盛顿大学医学院基因组科学系教授Evan Eichler表示：“我们对一个四代人大家族的多个成员的染色体进行了测序和组装，以了解遗传信息是如何在一代一代之间发生变化的。”
大多数家族成员的DNA是从外周血白细胞中提取的，以原代材料和细胞系的形式提供。不过，由于曾祖父辈的成员已经去世，他们的DNA只能以细胞系的形式提供。
研究人员报告称，通过使用五种互补的测序技术和近乎完整的端到端基因组组装，他们建立了一个最全面的公开数据集，其中包含所有类别的基因组变异。
新发突变（de novo mutation）是了解遗传疾病、人类特征变化和人类进化的关键。这类突变也会给一个家庭带来新的性状，比如孩子眼睛的颜色，可以与前几代人不同。
在这项研究中，科学家们生成了28名家庭成员的参考基因组，他们代表了四代人，包括曾祖父母、祖父母、父母和孩子。这个匿名家庭在30多年前就开始参与遗传学研究。他们的数据被广泛用于研究，而科学家们还在继续招募这个家族的其他成员。
研究人员将来自Illumina和Element Biosciences平台的短读长全基因组测序数据、PacBio和Oxford Nanopore Technologies测序仪产生的长读长和超长读长数据以及单细胞Strand-seq数据结合起来，以完成这个家族的基因组组装。
利用这些数据，研究团队确定了每一代人的新发突变特征，从SNV或小的插入缺失（indel）到结构变异。之前的家系研究主要是利用短读长测序来寻找基因组中的新发突变。
“长读长序列数据让我们能够组装包括复杂区域在内的整条染色体，并对它们进行跨代研究，” Eichler指出。“多代成员以及多种测序技术的使用让我们能够验证几乎所有的新发突变。”
利用多代成员的序列数据，研究人员准确组装了288个着丝粒和6条Y染色体。他们发现，每一代的Y染色体似乎会出现12.4个新发突变。
平均而言，每一代会出现约150次新发突变事件，高于之前仅根据短读长序列数据报告的90-100次。不过，这些变异并非均匀地分布在整个基因组内。在基因组中的不同区域，突变的发生率相差10倍以上。
新发突变在短串联重复序列（STR）或可变数目串联重复序列（VNTR）中尤为常见。研究人员在这些序列中发现了32个反复出现的突变位点。其中，27个位点出现了代际的复发突变，而其余5个位点出现了代内的复发突变。
“重复性最高的部分，如Y染色体或着丝粒上的串联重复序列，是最容易发生突变的区域，” Eichler说，并指出在基因组的重复序列中，每次传递都会出现三到五个新的结构变异。
尽管所有形式的新发突变普遍存在父系偏向（75-81%），但研究团队发现，16%的新发单核苷酸变异来源于生殖系嵌合突变或其他合子后变化，没有父系偏向。
当他们将新发突变模式与重组事件的高分辨率图谱进行比较时，研究人员发现新发结构变异的存在似乎与减数分裂交叉互换的位点并不一致。
Eichler解释说，他们的分析揭示了新发突变出现的概率以及它们最有可能出现在基因组中的哪个位置，这不仅有助于了解进化过程，还有助于了解疾病风险变异和生物学过程。
研究人员认为，这一基因组资源将有助于未来的遗传研究，例如对新的测序技术进行基准测试，或研究更复杂的变异形式，以及它们如何代代相传或发生变化。
不过，他们也指出了这一资源的一些局限性，例如五条短臂（13、14、15、21和22）的序列尚未完全解析，主要是因为这些区域具有高度重复的特征，在组装上比较困难。
此外，新发突变的模式可能因家族而异。研究人员称，需要开发更多的多代家族基因组资源，并广泛提供给科学家，以便更好地确定新发突变的发生率。
科学家们还认为，他们对突变率的估计是保守的。“更多的基因组变异，包括新发变异，还有待发现，”他们指出。
这个家族中的一名个体（其基因组被命名为NA12878）可能是有史以来研究最多的人类基因组。研究人员对该家族的所有成员表示感谢，感谢他们长期以来为深入了解人类遗传变异的工作做出了贡献。
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