破天荒 | 第一次,22篇Cell文章同时探讨遗传学,基因组学进展,应用,以及所面临的挑战(值得收藏)

自从“遗传学”这个术语首次用于描述遗传科学以来,已经有一个多世纪了,遗传学起源于孟德尔的植物育种实验。这些实验奠定了我们对遗传学理解的进一步见解的基础:减数分裂的发现和由此产生的遗传染色体理论,DNA的分离和双螺旋结构的描述,以及一个基因一酶假说。当然,孟德尔的简单性掩盖了真正的复杂性,诸如多效性,上位性和多基因性等现象使得遗传学可能不是一个简单的科学,而是生物学理解的强大来源。这一次,Cell 一次性发表了22篇文章,系统解读遗传学,基因组学的进展,应用,以及所面临的挑战。

系统总结及概况22篇文章

【1】Cell 编辑团队发表了题为“The Human Helix”总结文章,系统总结了这一期Cell文章的重点:通过探索遗传变异和网络的基本原理来描绘未来的进展;洞察我们的进化历史和疾病的结构;以及学术圈目前面临的许多关键问题,社会和科学问题;

【2】Caryn Navarro发表了”How to Train Your Genome“的文章,该文章介绍了人工智能在基因组分析中的应用,同时还强调人工智能/深度学习不仅提供了分析来自一种特定类型数据的有效方法,而且还具有将来自几种互补方法的数据组合,以识别对于理解疾病发展可能是重要途径;

【3】Diana Crow发表了题为”A New Wave of Genomics for All“的分析文章,该文章谈到数百万人已经接受了直接面向消费者的DNA测试,但不是每个人都对现状感到满意。 基因测试领域的几家创业公司旨在赋予个人权力并建立社区,以促进研究,最终促进公共健康;

基因组测序分析方法及表型与基因型的关系

【4】华盛顿大学Hall等人发表题为”Genomic Analysis in the Age of Human Genome Sequencing“的综述文章,该综述回顾了遗传变异发现,基因分型和功能解释的当前技术状态,并讨论了未来发展的前景。 研究人员专注于通过全基因组测序发现的种系变异,用于预测和测量变体功能效应的全基因组功能基因组方法,以及对常见和罕见人类疾病研究的意义;

【5】加拿大多伦多大学Andrews等人发表题为”Global Genetic Networks and the Genotype-to-Phenotype Relationship“的综述,在本综述中,研究人员讨论了模型系统中的大规模分析如何阐明遗传相互作用的一般原理和表型影响;该综述专注于芽殖酵母的研究,包括整体遗传网络的绘图。该综述强调从酵母中获得的信息如何转化为其他系统,以及整体遗传网络如何不仅注释基因功能,而且还提供了对基因型与表型关系的新见解;

基因组突变的局部决定因素

【6】西班牙巴塞罗那科学技术学院Lopez-Bigas等人发表题为"Local Determinants of the Mutational Landscape of the Human Genome"的综述,该综述回顾了局部染色质结构 - 例如,包裹在核小体周围的DNA,与DNA结合的转录因子 - 如何在局部范围内影响突变率。 它剖析了一些诱变剂和/或DNA修复系统与这些局部结构的相互作用如何影响突变的产生。 该综述讨论了这种局部突变率变异如何影响我们对基因组序列进化的理解,以及对生物和肿瘤进化的研究;

遗传学,基因组学与人类疾病之间的关系(冠状动脉疾病,代谢相关疾病,精神疾病,免疫学疾病,衰老

【7】英国剑桥大学Willerslev等人发表题为”Human Disease Variation in the Light of Population Genomics“的综述,该综述对中性人口统计过程(如瓶颈,迁移和混合)以及适应性过程(如选择性扫描和多基因适应)对人类健康和疾病的影响的理解。 另外,该综述还提出了整合进化基因组学和医学基因组学的可能方法,并讨论了这种整合对未来研究实践的影响;

【8】美国Broad研究所Kathiresan等人发表题为”Genetics of Common, Complex Coronary Artery Disease“的综述,该综述在基因组范畴探讨常见及复杂冠状动脉疾病的遗传学内容;

【9】英国剑桥大学Barroso等人发表题为”The Genetic Basis of Metabolic Disease“的综述,该综述总结所取得的进展以及从广泛应用GWAS到一系列高度流行的代谢疾病(2型糖尿病[T2D],肥胖和心血管疾病)和相关性状(如脂肪分布,血糖和血脂测量)中获得的见解;

【10】美国加州大学洛杉矶分校Geschwind等人发表题为”Defining the Genetic, Genomic, Cellular, and Diagnostic Architectures of Psychiatric Disorders“的综述,该综述重点放在阐明精神疾病遗传结构的研究结果以及利用这些研究结果来了解我们对病理生理学理解的挑战;

【11】法国巴斯德研究所Quintana-Murci发表题为”Human Immunology through the Lens of Evolutionary Genetics“的综述,该综述重点介绍群体遗传学和系统免疫学的整合如何帮助我们解决重大基础和公共卫生重要性的问题,例如描述人类免疫反应的进化决定因素以及免疫的各种来源,个体和人群之间的反应差异;

【12】美国斯坦福大学Brunet等人发表题为”The Genetics of Aging: A Vertebrate Perspective“的综述,该综述讨论了脊椎动物衰老的遗传调控在小鼠,人类和具有特殊寿命的生物体中的研究进展。该综述强调未来的挑战,包括生命周期中的性别差异以及基因与环境之间的相互作用。 另外还讨论了如何利用衰老和新脊椎动物模型的可靠生物标记物的鉴定,来进行个性化干预,以对抗衰老和与年龄相关的疾病;

其他类型的文章,解析遗传学,基因组学在医学中的应用以及对于9篇综述文章的解读

【13-22】A Human in Human Genetics“,”National Efforts with Global Implications“,”Bringing Genetics Home“,”Genetics as a Job Generator“,”The Missing Diversity in Human Genetic Studies“,”A Diagnosis for All Rare Genetic Diseases: The Horizon and the Next Frontiers“,”Gene-Environment Interaction in the Era of Precision Medicine“,”Genomic Medicine–Progress, Pitfalls, and Promise“及”Personalized Medicine and the Power of Electronic Health Records“,其他类型的文章,解析遗传学,基因组学在医学中的应用以及对于9篇综述文章的解读。

自从“遗传学”这个术语首次用于描述遗传科学以来,已经有一个多世纪了,遗传学起源于孟德尔的植物育种实验。这些实验奠定了我们对遗传学理解的进一步见解的基础:减数分裂的发现和由此产生的遗传染色体理论,DNA的分离和双螺旋结构的描述,以及一个基因一酶假说。当然,孟德尔的简单性掩盖了真正的复杂性,诸如多效性,上位性和多基因性等现象使得遗传学可能不是一个简单的科学,而是生物学理解的强大来源。

虽然建立在对豌豆植物和微生物的观察中,但遗传学科学向内发展以阐明人类生物学只是时间问题。毫不奇怪,理解我们自己的基因组和我们独特的,个体或物种水平的表型的欲望引起了人类遗传学和基因组学的发展。随着基因组医学在临床中的应用不断增加,DNA的法医能力不断提高,以及数百万患者基因组数据的可用性为复杂疾病提供了前所未有的见解,人类遗传学在实验室和社会中都在蓬勃发展。

在这个特刊中,很高兴能够通过探索遗传变异和网络的基本原理来描绘未来的进展;洞察我们的进化历史和疾病的结构;以及学术圈目前面临的许多关键问题,社会和科学问题。通过在基因组医学中发布强大的数据集,创新方法和突破性发现,同时保持对数据可用性,道德考虑和透明方法报告的重要性的高度关注,这一期Cell专注于遗传及基因组学的重点报道。

参考信息:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30228-4

人工智能,机器学习,深度学习:这些术语听起来像科幻小说中的情节吗?也许,但它们也是目前用于基因组学的强大工具,用于理解序列变异以及这种变异如何导致人群中的疾病,发育和进化。

高通量测序(HTS),组学技术和全基因组关联研究(GWAS)导致目前可用于破译人类基因组的数据量大幅增加。这些数据通常很复杂,单核苷酸变化的重要性很难从单独的序列中预测。那么,分析所有数据以找到信息的最佳和最有效的方法是什么?深度学习不仅提供了分析来自一种特定类型数据的有效方法,而且还具有将来自几种互补方法的数据组合,以识别对于理解疾病发展可能是重要途径。

参考信息:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30265-X

自2016年中期以来,DNA试剂盒的销售量呈指数增长。 2017年是破纪录的一年。许多公司尚未发布2018年的数字,但2018年可能再次打破记录。 2019年2月在麻省理工学院技术评论中的一篇文章估计有超过2600万人参加了DNA测试。

然而,许多人对领先的直接面向消费者的基因检测公司感到沮丧。只有两家公司,Ancestry和23andMe,负责最大的销售份额。两者都积累了大量消费者的基因数据,并且都因为向其他公司出售客户数据而受到批评。批评者也对数据隐私提出了担忧。

市场的增长推出了新一波创业公司。许多这些较新的公司致力于在诊所,研究人员和被测序的个体之间建立接口。其他人则专注于组织数据。在此分析中,Cell杂志与来自相对新公司的领导者就该领域的新兴趋势进行了采访。

参考信息:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30224-7

经济实惠的基因组测序技术有望通过查询全基因组范围内各类基因组变异的综合研究,从而彻底改变人类遗传学领域。 作为各种基因定位研究,世界范围内正在进行的项目正在对数千个 - 数百万个人类基因组进行测序。 然而,虽然基因组测序数据的生产已经成为常规,但基因组分析和解释仍然存在挑战,其中存在许多局限性。 

在这里,研究人员回顾了遗传变异发现,基因分型和功能解释的当前技术状态,并讨论了未来发展的前景。 研究人员专注于通过全基因组测序发现的种系变异,用于预测和测量变体功能效应的全基因组功能基因组方法,以及对常见和罕见人类疾病研究的意义。

参考信息:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30215-6

利用物种内数千个个体的全基因组序列信息,一个主要的突出问题涉及对遗传性状基因的等位基因组合的解释。 在本综述中,研究人员讨论了模型系统中的大规模分析如何阐明遗传相互作用的一般原理和表型影响。

研究人员专注于芽殖酵母的研究,包括整体遗传网络的绘图。研究人员强调从酵母中获得的信息如何转化为其他系统,以及整体遗传网络如何不仅注释基因功能,而且还提供了对基因型与表型关系的新见解。

参考信息:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30096-0

大规模染色质特征,例如复制时间和可访问性影响兆碱基量表的体细胞和种系突变率。 本文回顾了局部染色质结构 - 例如,包裹在核小体周围的DNA,与DNA结合的转录因子 - 如何在局部范围内影响突变率。 

它剖析了一些诱变剂和/或DNA修复系统与这些局部结构的相互作用如何影响突变的产生。 该综述讨论了这种局部突变率变异如何影响我们对基因组序列进化的理解,以及对生物和肿瘤进化的研究。

参考信息:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30234-X

确定人类遗传病流行的相似性和差异的原因对于理解疾病病因至关重要。虽然现今的人类没有强烈的分化,但现在大量的基因组数据可以研究微妙的遗传变异模式。这使我们能够追踪数千年前的基因组历史及其对今天疾病相关变种分布的影响。

基因组分析表明,人口统计过程随着时间的推移塑造了疾病相关变异的分布和频率。此外,对新环境条件(包括病原体)的局部适应已在特定位点产生强烈的分化模式。研究人员也开始揭示复杂疾病的遗传结构,受到许多小变种的影响。因此,人口基因组学领域具有进一步深入了解人类疾病进化的巨大潜力。

参考信息:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30115-1

不分国家,种族或经济阶层,冠状动脉疾病是全世界死亡的主要原因。 冠状动脉疾病部分可遗传。 

虽然致力于理解冠状动脉疾病和其他常见的复杂心血管疾病的遗传基础已经付出了巨大的努力,但在基因发现,理解DNA变体如何与功能相关以及将遗传学转化为临床方面已经出现了关键挑战。 该综述讨论这些挑战以及使工作更接近成果的有希望的机会。

参考信息:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30164-3

遗传学和基因组学的最新发展提供了对常见代谢疾病和性状的遗传基础的详细和系统的表征,突出了稳态控制系统内部固有的复杂性的许多方式。 这些常见代谢表型背后的遗传结构是复杂的,每个性状受到跨越一系列等位基因频率和效应大小的数百个基因座的影响。 

在这里,研究人员回顾了对这种复杂性日益增长的认识,以及它如何促进基因组规模方法的实施,这些方法提供了强有力的机制推理并揭示了转化开发的新策略。

参考信息:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30206-5

对精神疾病遗传学的研究已成为人类遗传学中最令人兴奋和快速发展的领域之一。十年前,几乎没有可重复的发现,现在有数百个。在这篇综述中,研究人员将重点放在阐明精神疾病遗传结构的研究结果以及利用这些研究结果来了解我们对病理生理学理解的挑战。

现在的证据显示,精神疾病是“多基因的” - 许多基因位点导致风险。除了ASD患者的一部分外,很少有患有精神疾病的人具有单一的,确定性的遗传原因。随着越来越多的研究发现其遗传结构越来越多,阐明其他体系结构的必要性已经变得清晰

参考信息:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30048-0

病原体施加的选择压力在人类进化过程中至关重要。 因此,在古代和现代人类基因组中检测这种选择标记可以帮助我们鉴定时间和空间免疫学相关性的基因。 与古人类和人群之间的混合物已经成为可被感染选择的遗传多样性的来源。 

此外,文化转型,例如农业的出现,使人们面临新的微生物威胁,并对宿主防御机制产生影响。 群体遗传学和系统免疫学的整合有助于增加对驱动个体和群体之间免疫应答变异的因素的理解。

参考信息:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30216-8

老龄化会对生命力和健康产生负面影响。 在无脊椎动物中发现了许多调节衰老的遗传途径。 然而,由于其专门的系统,衰老的遗传学在脊椎动物中更复杂。 

本综述讨论了脊椎动物衰老的遗传调控在小鼠,人类和具有特殊寿命的生物体中的研究进展。该综述强调未来的挑战,包括生命周期中的性别差异以及基因与环境之间的相互作用。 另外还讨论了如何利用衰老和新脊椎动物模型的可靠生物标记物的鉴定,来进行个性化干预,以对抗衰老和与年龄相关的疾病。

参考信息:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30221-1

参考信息:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30217-X

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30230-2

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30264-8

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30229-6

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30231-4

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30223-5

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30266-1

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30152-7

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30222-3





资料来源:授权转载自iNature

编辑:Rachel

审核:Jason Sanchez