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The structure, function and evolution of a complete human chromosome 8
Nature ( IF 42.778 ) Pub Date : 2021-04-07 , DOI: 10.1038/s41586-021-03420-7
Glennis A. Logsdon, Mitchell R. Vollger, PingHsun Hsieh, Yafei Mao, Mikhail A. Liskovykh, Sergey Koren, Sergey Nurk, Ludovica Mercuri, Philip C. Dishuck, Arang Rhie, Leonardo G. de Lima, Tatiana Dvorkina, David Porubsky, William T. Harvey, Alla Mikheenko, Andrey V. Bzikadze, Milinn Kremitzki, Tina A. Graves-Lindsay, Chirag Jain, Kendra Hoekzema, Shwetha C. Murali, Katherine M. Munson, Carl Baker, Melanie Sorensen, Alexandra M. Lewis, Urvashi Surti, Jennifer L. Gerton, Vladimir Larionov, Mario Ventura, Karen H. Miga, Adam M. Phillippy, Evan E. Eichler

The complete assembly of each human chromosome is essential for understanding human biology and evolution1,2. Here we use complementary long-read sequencing technologies to complete the linear assembly of human chromosome 8. Our assembly resolves the sequence of five previously long-standing gaps, including a 2.08-Mb centromeric α-satellite array, a 644-kb copy number polymorphism in the β-defensin gene cluster that is important for disease risk, and an 863-kb variable number tandem repeat at chromosome 8q21.2 that can function as a neocentromere. We show that the centromeric α-satellite array is generally methylated except for a 73-kb hypomethylated region of diverse higher-order α-satellites enriched with CENP-A nucleosomes, consistent with the location of the kinetochore. In addition, we confirm the overall organization and methylation pattern of the centromere in a diploid human genome. Using a dual long-read sequencing approach, we complete high-quality draft assemblies of the orthologous centromere from chromosome 8 in chimpanzee, orangutan and macaque to reconstruct its evolutionary history. Comparative and phylogenetic analyses show that the higher-order α-satellite structure evolved in the great ape ancestor with a layered symmetry, in which more ancient higher-order repeats locate peripherally to monomeric α-satellites. We estimate that the mutation rate of centromeric satellite DNA is accelerated by more than 2.2-fold compared to the unique portions of the genome, and this acceleration extends into the flanking sequence.



中文翻译:

完整人类染色体8的结构,功能和进化

每个人类染色体的完整组装对于理解人类生物学和进化至关重要1,2。在这里,我们使用互补的长读测序技术来完成人类8号染色体的线性装配。我们的装配解决了五个以前长期存在的缺口的序列,包括一个2.08-Mb着丝粒α-卫星阵列,一个644-kb拷贝数多态性β-防御素基因簇中的这种蛋白质对疾病风险很重要,并且在8q21.2号染色体上有一个863-kb可变数目的串联重复序列,可以充当新着丝粒。我们显示着丝粒α卫星阵列通常被甲基化,除了73 kb的低甲基化区域,其中富含高浓度CENP-A核小体的各种高阶α卫星与动粒的位置一致。此外,我们确认了二倍体人类基因组中着丝粒的整体组织和甲基化模式。使用双重长读测序方法,我们从黑猩猩,猩猩和猕猴的8号染色体完成了直系着丝粒的高质量草图装配,以重建其进化史。比较和系统发育分析表明,高阶α-卫星结构在层状对称的大先祖中演化,其中更古老的高阶重复序列位于单体α-卫星的外围。我们估计,与基因组的独特部分相比,着丝粒卫星DNA的突变率被加速了2.2倍以上,并且这种加速作用延伸到了侧翼序列中。比较和系统发育分析表明,高阶α-卫星结构在层状对称的大先祖中演化,其中更古老的高阶重复序列位于单体α-卫星的外围。我们估计,与基因组的独特部分相比,着丝粒卫星DNA的突变率被加速了2.2倍以上,并且这种加速作用延伸到了侧翼序列中。比较和系统发育分析表明,高阶α-卫星结构在层状对称的大先祖中演化,其中更古老的高阶重复序列位于单体α-卫星的外围。我们估计,与基因组的独特部分相比,着丝粒卫星DNA的突变率被加速了2.2倍以上,并且这种加速作用延伸到了侧翼序列中。

更新日期:2021-04-08
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