Проект «Геномы позвоночных» открывает новую эру в секвенировании геномов
Проект «Геномы позвоночных» (VGP) объявил о публикации ключевого исследования и сопутствующих работ, посвящённых качеству и стандартизации сборки геномов. Исследование включает 16 диплоидных высококачественных, практически безошибочных и почти полных референсных геномов видов, представляющих все таксоны позвоночных (млекопитающих, земноводных, птиц, рептилий и рыб), собранных за пять лет пилотной фазы проекта.
В специальном выпуске Nature и сопутствующих публикациях VGP описывает многочисленные технологические усовершенствования на основе этих 16 геномов. В ключевой работе демонстрируется возможность достижения высоких стандартов качества референсных геномов с помощью автоматизированного подхода, сочетающего технологии длинного чтения и построения хромосомных каркасов с новыми алгоритмами сборки.
Выросший из миссии сообщества Genome 10K (G10K) по секвенированию 10 000 видов позвоночных, VGP использует резкий прогресс в технологиях секвенирования последних лет для начала производства высококачественных геномов всех ~70 000 ныне живущих позвоночных. На сегодняшний день конвейеры VGP позволили представить 129 диплоидных сборок — наиболее полных и точных версий геномов этих видов, что демонстрирует осуществимость стандартизации качества в крупном масштабе.
«Когда в 2015 году меня попросили возглавить G10K, я подчеркнул необходимость работы с технологическими партнёрами и экспертами по сборке для получения данных высочайшего качества. Моим студентам и постдокам требовались месяцы на исправление структуры генов для экспериментов, что приводило к ошибкам в биологических исследованиях. Для меня это была не только практическая, но и моральная миссия», — сказал Эрих Джарвис, руководитель центра секвенирования VGP в Университете Рокфеллера.
«Было настоящим вызовом создать конвейер, применимый к сильно различающимся геномам. Наш самый крупный геном размером 5 Гб ломал почти каждый стандартный инструмент сборки. Высокий уровень гетерозиготности или содержание повторов создавали большие сложности. Это только начало; мы постоянно улучшаем наш конвейер в ответ на новые технологии», — добавил Аран Ри, первый автор ключевой статьи из Национального института исследования генома человека (NHGRI, NIH, США).
Подход VGP сочетает автоматизированные конвейеры сборки с ручной курацией для исправления ошибок, что позволяет итеративно улучшать алгоритмы. Например, VGP помог выявить высокий уровень ложных дупликаций, потерь или приобретений генов, часто из-за неправильного разделения материнских и отцовских хромосом алгоритмами. Одно из решений — метод trio binning с использованием ДНК родителей. Для случаев, когда данные родителей недоступны, VGP и коллабораторы разработали алгоритм FALCON-Phase, упрощающий фаззирование последовательностей на уровне хромосом.
«Наш новый подход к массовому созданию структурно валидированных геномных сборок хромосомного уровня станет основой для революционных открытий в сравнительной и эволюционной геномике», — заявила Керстин Хау, руководитель группы курации в Институте Сэнгера (Великобритания).
«Завершение первого референсного генома позвоночного, человеческого, заняло более 10 лет и 3 миллиарда долларов. Благодаря исследованиям и инвестициям в технологии секвенирования ДНК за последние 20 лет мы теперь можем повторять этот удивительный подвиг несколько раз в день всего за несколько тысяч долларов за геном», — отметил Адам Филиппи, председатель рабочей группы по сборке и биоинформатике VGP.
Высокое качество этих сборок позволило сделать беспрецедентные открытия, важные для характеристики биоразнообразия, охраны природы, а также здоровья и болезней человека.
- Иммунитет летучих мышей: Первые высококачественные геномы шести видов летучих мышей, созданные с консорциумом Bat 1K, выявили отбор и потерю генов, связанных с иммунитетом, что может объяснять уникальную толерантность летучих мышей к вирусным инфекциям. Это открывает новые пути исследований для повышения выживаемости, что особенно актуально для новых инфекционных заболеваний, таких как пандемия COVID-19.
- Сохранение видов: Геномный анализ какапо (нелетающего попугая) и калифорнийской морской свиньи (вакиты) — самого редкого морского млекопитающего — показал, что длительная эволюционная история с малыми размерами популяций привела к очищению от вредных мутаций. Это даёт надежду на выживание этих видов.
«Эти исследования знаменуют начало новой эры секвенирования геномов, которая ускорится в следующем десятилетии и позволит применять геномные подходы ко всему древу жизни, изменив наши научные взаимодействия с живым миром», — сказал Ричард Дурбин, профессор Кембриджского университета.
VGP объединяет сотни учёных из более чем 50 институтов в 12 странах. Как первый крупномасштабный проект по эукариотическим геномам, выпускающий сборки, соответствующие чётким стандартам качества, VGP стал рабочей моделью для других консорциумов: Bat 1K, Pan Human Genome Project, Earth BioGenome Project, Darwin Tree of Life и European Reference Genome Atlas.
Следующие шаги:
- Фаза 1: Завершение секвенирования примерно одного вида-представителя от каждого из 260 отрядов позвоночных, разделённых минимум 50 млн лет эволюции. Цель — создание сравнительных геномных ресурсов.
- Фаза 2: Фокус на видах-представителях каждого семейства позвоночных (идет идентификация образцов и поиск финансирования).
Геномные данные генерируются в трёх центрах секвенирования: Университет Рокфеллера (США), Институт Сэнгера (Великобритания) и Институт Макса Планка (Германия). VGP сотрудничал с компаниями Pacific Biosciences, Oxford Nanopore Technologies, Illumina и другими. Конвейер сборки и данные (Genome Ark) находятся в открытом доступе.
Другие новые биологические открытия из этой волны публикаций (всего 25 геномов в более чем 20 статьях) включают:
- Исправление ложных потерь генов или хромосом: в предыдущих сборках отсутствовало 30–50% богатых GC регуляторных регионов генов («тёмная материя» генома).
- Вновь идентифицированные хромосомы у зебровой амадины и утконоса.
- Полные митохондриальные геномы для большинства видов.
- Эволюция половых хромосом у однопроходных млекопитающих и птиц.
- Генетические вариации между человеком и мармозеткой, важные для биомедицинских исследований.
- Предложение универсальной эволюционной номенклатуры для семейств лигандов и рецепторов окситоцина/вазотоцина.