Nature首次报道了着丝粒巨大变异背后的原因

一项对人类和一些非人类灵长类动物着丝粒的基因组研究揭示了它们难以想象的多样性和进化变化的速度。虽然着丝粒通过确保细胞分裂时遗传物质的忠实传递，对细胞的正常复制至关重要，但其基因组组织的复杂性几乎不可能研究。着丝粒序列的缺乏阻碍了对这些区域如何帮助维持遗传完整性的探索。

　　

一项对人类和一些非人类灵长类动物着丝粒的基因组研究揭示了它们难以想象的多样性和进化变化的速度。

在细胞遗传学中，着丝粒是两个姐妹染色单体连接的地方。染色单体是一条复制染色体的一半。由于着丝粒不在一个统一的位置，因此成对的染色体具有可识别的形状。当细胞准备分裂时，染色体的分离和分离机制在每个着丝粒位置开始起作用。

除非遗传物质在两个产生的细胞之间正确分布，否则问题就会出现。这些疾病包括癌症、先天性疾病，如唐氏综合症，以及受精细胞不能长成婴儿。

虽然着丝粒对正常的细胞复制至关重要，但其基因组组织的复杂性几乎不可能研究。着丝粒序列的缺乏阻碍了对这些区域如何帮助维持遗传完整性的探索。

今天，长读基因组测序技术的进步、精细的计算机化基因组组装算法和改进的基因组数据库使科学家能够认识到着丝粒在大小和结构上的巨大差异。这为弄清楚这些差异可能意味着什么开辟了新的途径。

4月3日的《自然》杂志首次报道了着丝粒巨大变异背后的因素。研究结果表明，着丝粒可能在人类中高度个性化。一组着丝粒甚至可能是一种个人特征，就像我们每个人都有独特的声音模式、虹膜颜色和指纹一样，将我们彼此区分开来。

目前尚不清楚着丝粒变异是否会使人容易患上特定疾病。

只有人类的X染色体似乎是基本不变的，在不同的人类中有着非常相似的序列和结构。

《自然》杂志论文一作是Glennis Logsdon，他是华盛顿大学医学院Evan Eichler基因组科学实验室的一名博士后学者。Eichler是论文资深通讯作者，他是享誉全球的著名遗传学家、HHMI教授、美国科学院院士。 因为领导解析了完整的人类基因组终极图谱，Evan 还被《时代周刊》评为“全球最具影响力100人”，因在基因组进化及其创造新功能的潜力方面的工作以及与疾病相关的遗传不稳定性的研究而闻名。

“这项最近的研究是人类泛基因组参考联盟和端粒到端粒(T2T)测序工作的直接应用，为人类基因组中对染色体分离至关重要的复杂区域提供了新的生物学见解，”Eichler指出。

为了获取有关人类着丝粒如何进化的信息，研究小组将两个完全测序的人类中心粒的基因序列与一些非人灵长类动物的基因序列进行了比较。这两种灵长类动物分别是黑猩猩和猩猩，它们是类人猿，与人类亲缘关系密切；还有猕猴，与人类的亲缘关系较远。

科学家们发现着丝粒的进化速度远远快于人类基因组的其他独特部分。它们是人类基因组中最容易发生突变的区域之一。研究人员还发现，着丝粒的独特序列和结构是不同进化力量以不同速度运动的结果。

“基因组中着丝粒区域的快速突变，以及它们不同的突变率，导致了它们不同的结构和组织，”Logsdon指出。科学家们说，令人惊讶的是，基因组中如此重要的区域会发生迅速的变化，因为一般来说，关键功能往往是遗传保守的。

科学家们计划通过在不同的人类基因组和不同的器官和组织中开发更多的着丝粒遗传图谱，并对着丝粒序列进行多代家族研究，来扩大这些初步的努力。来自其他非人类灵长类动物的着丝粒的完整序列将为形成这些区域的进化力量提供更好的模型。

展望未来，Logsdon等人希望有一天能将他们在着丝粒上的发现应用到定制人类人工染色体的设计和工程中，从而改变医学科学。几年前，Logsdon和她的导师们致力于开发绕过着丝粒DNA的人类人工染色体，这对哺乳动物的合成基因组研究构成了限制。Logsdon和其他人最近在上周的《科学》杂志上发表了另一项研究，该研究表明，扩大人工染色体DNA载体可以有效地在细胞中形成人类人工染色体。