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Nature Genetics:加速功能性DNA发现的新计算方法

摘要 : 为了阐明和理解DNA的生物学意义,美国康奈尔大学的科学家们开发出一种新的计算方法,可以识别在细胞正常运行中发挥作用的人类基因组位置,相关研究结果发表在1月19日的Nature旗下子刊《Nature Genetics》。

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为了阐明和理解DNA的生物学意义,美国康奈尔大学的科学家们开发出一种新的计算方法,可以识别在细胞正常运行中发挥作用的人类基因组位置,相关研究结果发表在1月19日的Nature旗下子刊《Nature Genetics》。

人类基因组是巨大的,共有三十亿个核苷酸碱基对。但是在这数十亿个碱基对当中,只有大约1.25%组成了我们所用全部蛋白的编码基因。其余一小部分遗传物质可调节基因,打开或关闭它们,但是这些基因尚未完全确定。

本文第一作者、计算机科学研究生Brad Gulko说:“这篇论文解决了关于‘如何确定控制人类特征和疾病的功能性非编码基因组部分’的深层问题。”Gulko的导师、康奈尔大学生物统计和计算生物学副教授、冷泉港实验室计算机科学教授Adam Siepel是本文的共同通讯作者之一。

Gulko说:“我们这种方法的独特之处在于,直截了当地把DNA生物化学与最近的进化压力相结合。我们的方法不仅可让其他科学家使用这些结果,而且还让我们更容易理解它们。”

根据这一新计算方法所获得的人类基因组的深刻见解,可以应用到个性化医学,它也向一些疾病的治疗方法开发迈出了巨大的一步,包括艾滋病、疟疾、肌肉硬化症、ALS和阿尔茨海默氏病。

遗传学家们通过寻找DNA、基因和遗传物质中的选择性压力信号——赋予个体种群优势和更大“适合度”或繁殖成功率,来确定具有生物学意义的DNA。

这种新方法结合以前使用的技术,来确定选择性压力。使用一种技术寻找人类和黑猩猩之间经过数百万年积累的基因组差异;一种不太常用的方法则被用来寻找人类个体之间的DNA突变(多态性)。

这种新的计算方法,把基因组中功能相似的标记集群成组,然后根据差异与基因组多态性的相关模式,估计一个标记组是否有助于该物种适合度的可能性。

用这种方法,研究人员就得到一个“适合度结果”(fitCons)评分,通过这个评分可预测哪些遗传物质可能处于选择压力下,从而具有生物学意义。

与传统技术相比,在预测哪些遗传物质调节基因表达方面,fitCons评分表现出更大的能力。

此外,fitCons评分表明,自人类与黑猩猩发生分化以来,人类基因组中4.2%到7.5%(但可能接近5%)的核苷酸已经影响了适合度。

原文链接:A method for calculating probabilities of fitness consequences for point mutations across the human genome

We describe a new computational method for estimating the probability that a point mutation at each position in a genome will influence fitness. These 'fitness consequence' (fitCons) scores serve as evolution-based measures of potential genomic function. Our approach is to cluster genomic positions into groups exhibiting distinct 'fingerprints' on the basis of high-throughput functional genomic data, then to estimate a probability of fitness consequences for each group from associated patterns of genetic polymorphism and divergence. We have generated fitCons scores for three human cell types on the basis of public data from ENCODE. In comparison with conventional conservation scores, fitCons scores show considerably improved prediction power forcis regulatory elements. In addition, fitCons scores indicate that 4.2–7.5% of nucleotides in the human genome have influenced fitness since the human-chimpanzee divergence, and they suggest that recent evolutionary turnover has had limited impact on the functional content of the genome.

来源: Nature Genetics 浏览次数:76

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