2022年1月20日，中國科學院上海營養(yǎng)與健康研究所李海鵬研究組聯(lián)合其他團隊，在人類遺傳學領(lǐng)域的國際重要學術(shù)期刊Human Genetics在線發(fā)表了題為“Fine human genetic map based on UK10K data set”的研究論文。遺傳重組是生命進化的基礎(chǔ)，在有性生物形成配子的過程中，來自父方和母方的染色體相互交換遺傳物質(zhì)，從而極大地增加了相鄰基因間不同等位基因的組合，豐富了遺傳多樣性。精確度量基因組不同區(qū)域的遺傳重組率，始終是生物學研究的一個熱點問題。精確的遺傳重組圖譜對研究遺傳重組的發(fā)生機制，雜交育種，準確定位致病突變和某一性狀的決定基因，均是非常重要的。
遺傳重組率估值的精確度，與數(shù)據(jù)中所囊括的遺傳重組次數(shù)成正比，如果數(shù)據(jù)中囊括了越多的遺傳重組事件，則遺傳重組率估值越精確，反之亦然。這一原則，無論是基于家系或單精子測序的研究，還是基于群體遺傳數(shù)據(jù)的研究，均是成立的。基于群體遺傳數(shù)據(jù)的分析，局限于已有的分析方法，很難運用來分析大樣本。在這一研究中，研究者擴展了前期開發(fā)的機器學習方法，運用新開發(fā)的FastEPRR 2.0分析了公開的UK10K共3,781個非相關(guān)個體（n=7,562個基因組）測序數(shù)據(jù)，基于Out-of-Africa群體歷史模型，準確估計了遺傳重組率，構(gòu)建了精確的遺傳重組圖譜。總體上看，少數(shù)已知的遺傳重組熱點在UK10K遺傳圖譜中依然存在，但在UK10K遺傳圖譜中，遺傳重組率估值波動較為平緩，遺傳重組異質(zhì)性較低（圖1）。為了探究樣本大小對估值的影響，研究者從UK10K數(shù)據(jù)中隨機選取了2,000、400和200個基因組測序數(shù)據(jù)，分析結(jié)果顯示，隨著樣本量的降低，遺傳重組率的估值波動加大。上述結(jié)論并不依賴于分析時所用的群體歷史模型，研究者在使用群體數(shù)量恒定模型中也觀察到了同樣的現(xiàn)象。這一新的研究成果不但為學術(shù)界提供了精確的人類遺傳重組圖譜，并且發(fā)現(xiàn)遺傳重組在基因組上的分布可能要比目前預(yù)期的更加均勻。正如一個評審人所說，目前對遺傳重組的研究，整個學術(shù)界傾向于發(fā)現(xiàn)越來越多的遺傳重組熱點，但是這篇文章卻指出了另一可能。
理論群體遺傳學領(lǐng)域有著極其完善的數(shù)學基礎(chǔ)，與機器學習中的黑盒子概念截然相反。但是研究者在2008年初，已經(jīng)準確預(yù)見到了有監(jiān)督的機器學習對群體遺傳學的促進作用，因此在2011年與合作者一起首次將有監(jiān)督的機器學習引入了群體遺傳學（Genetics）、并在2013年（Genetics）、2016年（G3）持續(xù)發(fā)展這一新范式。雖然有監(jiān)督的機器學習在某些方面做得比極大似然法、貝葉斯等方法更好，但是這一新范式究竟能否為進化生物學領(lǐng)域帶來新發(fā)現(xiàn)，依然是未知的。研究者的研究結(jié)果表明，新范式帶來了新發(fā)現(xiàn)，同時也正面回應(yīng)了領(lǐng)域中某些質(zhì)疑意見。
中國科學院上海營養(yǎng)與健康研究所李海鵬研究員和華東師范大學的潘逸萱副教授為該論文的共同通訊作者。郝子謙博士和杜朋元博士為共同第一作者。該課題得到了國家自然科學基金、中國科學院先導(dǎo)項目、科技部國家重點研發(fā)計劃和中科院上海營養(yǎng)與健康研究所的支持。
PubMed鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35048190
全文下載鏈接：https://rdcu.be/cFkND
UK10K鏈接：https://www.uk10k.org
圖1、各個遺傳重組圖譜中遺傳重組異質(zhì)性的統(tǒng)計。如果遺傳重組在基因組中均勻分布，此時將不存在任何遺傳重組異質(zhì)性，并且對應(yīng)曲線為對角線。如果基因組中遺傳重組異質(zhì)性越高，則有更多的遺傳重組熱點，對應(yīng)曲線越彎曲。
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