完整结构

意大利国家研究委员会晶体学研究所（CNR-IC）与罗马一大、罗马三大以及英国ISIS脉冲介子和中子源合作开展了一项研究，详细分析了白磷钙矿（whitlockite）的结构，并首次获得完整表征，这一研究也将有助于改进生物医学材料的性能。相关论文发表在《Crystals》上。白磷钙矿是一种稀有的天然磷酸钙，存在于陆地花岗岩岩石和球粒陨石中，可作为合成磷酸三钙的天然替代物。合成磷酸三钙是一种生物材料，用于骨科和牙科领域的填料和涂料。合成磷酸三钙是合成羟基磷灰石的替代品，后者与人类骨骼与牙齿的矿物质成分非常相似，但在某些情况下（例如用作骨假体）表现得很脆弱。研究人员在通过X射线衍射对白磷钙矿进行初步分析，利用中子衍射氢原子进行定位，使用电子探针以确认其化学成分，并使用红外光谱法对衍射结果进行补充。研究人员表示，基于对天然材料的研究，可以进一步改进与其类似的合成材料的性能，降低其脆弱性以及用作假体时的排斥风险，从而改善假体的安全性及整体表现，更好地应用于生物医学等领域。

随着两篇最新研究论文在顶尖学术期刊《自然》正式上线，人类Y染色体的完整序列终于展现在世人面前。这条染色体是人类的性别决定染色体之一，也是人类46条染色体中最后一条完全解码的染色体。▲人类Y染色体是人类基因组中最后一条得到完整测序的染色体（图片来源：参考资料[3]；Credit：Darryl Leja, National Human Genome Research Institute）2022年，在国际科研团队“端粒到端粒”联盟（T2T）的通力合作下，最新版的人类参考基因组（被命名为T2T-CHM13）问世，包括所有22条常染色体和X染色体的“无缝组装”，含有30.55亿对碱基。这份参考基因组达到了前所未有的完整程度，解开了染色体着丝粒等结构复杂的区域。然而，人类参考基因组中的Y染色体，仍有一大半序列是缺失的。Y染色体成为人类基因组的最后谜团，与其重复结构的异常复杂有关。所有染色体都有一些重复序列，但在Y染色体中，重复序列所占的篇幅特别大，将近一半——约3000万个碱基是重复序列，因此要把测序读取到的片段重新拼装起来就特别困难。玩过拼图的朋友知道，缺乏线条的纯色图案最具挑战。为了解决这一难题，T2T联盟领导的这项新研究应用了前沿的长读取测序技术和新型的计算组装方法，借鉴此前无缝组装人类其他染色体时的成功经验，首次完成了Y染色体的测序和组装。其结果填补了Y染色体长度50%以上的空白，同时纠正了原先人类参考基因组序列中Y染色体上的多个错误。▲全球100多名研究人员组成的团队对人类Y染色体进行了全面测序“最大的惊喜是，那些重复序列是如此有序。”论文通讯作者、T2T联盟的联合主席Adam Phillippy博士在美国国立卫生研究院（NIH）的新闻稿中指出，“过去我们不知道缺失的序列是如何组成的，有可能非常混乱。但事实相反，染色体中近一半由两段特定的重复序列——即‘卫星DNA’——交替组成，构成了拼布一般的图案。”根据此次获得的完整序列（T2T-Y），人类的Y染色体由62,460,029对碱基组成。科学家们从中新鉴定出了41个过去未知的蛋白编码基因，也揭示了影响生育的重要基因组特征。▲一条人类Y染色体的完整序列（图片来源：参考资料[1]）例如，Y染色体有一段被称为“无精子症因子区”，包含了与精子生成有关的几个基因。而这段DNA中有一组回文序列。这种回文结构会形成环状结构（DNA loop），有时DNA环被意外切断，造成缺失。而“无精子症因子区”的DNA缺失会破坏精子生成，导致不育。研究人员指出，有了完整的Y染色体序列，现在就可以更精确地分析这类缺失及其对精子生成的影响。这项研究还重点关注了TSPY（testis-specific protein Y）基因家族，即睾丸特异性蛋白编码基因，新发现的41个基因中有38个属于这一家族。它们的一大特征是串联重复拷贝非常多。研究人员在分析这一区域时发现，不同的个体含有的TSPY拷贝10~40个不等。Y染色体不仅结构复杂，还是人类染色体中变化速度最快的染色体，《自然》同期发表的另一篇研究论文便揭示了Y染色体在不同人群中的演化和变异。研究团队一共组装了43条来自不同男性个体的Y染色体，他们来自全球21个不同种群。这些组合提供了人类Y染色体在18.3万年间遗传变异的详细视图，揭示了新的DNA序列、保守区域的特征，并揭示了造成Y染色体复杂结构的分子机制。图片来源：123RF完整的人类Y染色体序列将为许多新发现打开大门。除了与性别决定有关的特征外，Y染色体上的基因对人类的其他性状和疾病也有影响，比如癌症的患病风险和严重程度。基于Y染色体的完整序列，后续将有更多研究可以围绕影响癌症或其他疾病的临床相关基因深入探索。一些研究发现，拥有Y染色体的人随着年龄增长会丢失部分或全部Y染色体，但科学家们还没有完全弄清这种情况为什么会发生、可能产生哪些影响。现在，解开这一谜团将变得容易。在意料之外的领域，研究论文也提供了一个有趣的发现：在过去有些研究中被认为是细菌DNA的遗传物质实际上来自人类的Y染色体，也就是被人类样本污染的结果。因为这些细菌样本在采集时，通常提取自人类皮肤，而过去由于人类参考基因组中Y染色体的大部分序列都是缺失的，一些未能被正确识别的序列就被误以为是细菌的。研究人员指出，更新的序列数据有望对细菌基因组的研究提供帮助。

被誉为生命科学“登月计划”的人类基因组测序再次取得重大进展：国际科学团队端粒到端粒联盟（T2T）发表了第一个完整的、无间隙的人类基因组序列，首次揭示了高度相同的节段重复基因组区域及其在人类基因组中的变异。这是对标准人类参考基因组，即2013年发布的参考基因组序列（GRCh38）的“重大升级”。当地时间31日，《科学》杂志连发6篇论文报告这一成就。2001年2月12日，由6国科学家共同参与的国际人类基因组计划首次公布人类基因组图谱及初步分析结果；2003年4月15日，公布了人类基因组序列草图。然而由于技术限制，当初的人类基因组计划留下了大约8%的“空白”间隙。这部分很难被测序，由高度重复、复杂的DNA块组成，其中包含功能基因以及位于染色体中间和末端的着丝粒和端粒。新的无间隙版本被称为T2T-CHM13，由30.55亿个碱基对和19969个蛋白质编码基因组成。增加了近2亿个碱基对的新DNA序列，包括99个可能编码蛋白质的基因和其中近2000个需要进一步研究的候选基因。这些候选基因大多数是失活的，但其中115个仍然可能表达。团队还在人类基因组中发现了大约200万个额外的变异，其中622个出现在与医学相关的基因中。此外，新序列还纠正了GRCh38中的数千个结构错误。具体而言，新序列填补的空白包括人类5条染色体的整个短臂，并覆盖了基因组中一些最复杂的区域。其中包括在重要的染色体结构中及其周围发现的高度重复的DNA序列，如染色体末端的端粒和在细胞分裂过程中协调复制染色体分离的着丝粒。新序列还揭示了以前未被发现的节段重复，即在基因组中复制的长DNA片段，已知其在进化和疾病中发挥重要作用。新序列还在识别和解释遗传变异方面具有重要改进，并揭示了关于着丝粒周围区域的前所未见的细节。这一区域内的变异性可能为人类祖先如何进化提供新证据。研究人员称，这一完整的、无间隙的序列对于了解人类基因组变异的全谱和了解某些疾病的遗传贡献至关重要。研究人员表示，下一阶段的研究将对不同人的基因组进行测序，以充分掌握人类基因的多样性、作用以及我们与近亲、其它灵长类动物的关系。【总编辑圈点】基因组的某些区域，其实是一遍又一遍的重复，这些重复区域包括细胞分裂中一些极其关键的部分，也包括可能帮助物种适应的新基因。在过去，所有这些重复使得科学家无法以正确的顺序“组装碎片”——就像高难度的、几乎每一块都相同的拼图，而人们不知道其中哪一块该放在哪，就在基因组图谱上留下了巨大空白。现在的最新成果不再有任何隐藏或未知的部分，或者也可以说，一个全新的基因宝库正在全人类面前徐徐打开。