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3 · 第2學期演化生物學人類演化

人類基因體演化

Human Genome Evolution

難度 4 · 專業evolutiongenetics

人類基因組學(Human Genomics)在 post-genome era 已從結構描述轉向功能註釋、群體變異圖譜、與臨床轉譯的整合。

T2T 與 Pangenome:參考基因組的革命

Nurk et al.(2022, Science)完成首個 T2T(Telomere-to-Telomere)人類基因組,增加了 ~200 Mb 先前缺失的序列(著絲粒衛星 DNA、rDNA arrays、短臂)。然而單一參考基因組無法代表人類遺傳多樣性。Liao et al.(2023, Nature)的 Human Pangenome Reference Consortium 以 47 個多樣化個體建立 pangenome graph,大幅提升結構變異的偵測靈敏度。

ENCODE/Roadmap 與功能註釋

ENCODE Phase III(ENCODE Consortium, 2020, Nature)以 ChIP-seq、ATAC-seq、Hi-C 等多維度資料在 ~500 個生物樣本中系統註釋調控元件。約 ~80 萬個候選 cis-regulatory elements(cCREs)被辨識——但這些「生化註釋」的功能性仍有爭議(功能驗證率遠低於預期)。Roadmap Epigenomics(Kundaje et al., 2015, Nature)提供了 111 個組織/細胞的表觀基因組參考圖。

GWAS 的成就與限制

截至 2024 年,GWAS Catalog 收錄超過 ~250,000 個 SNP-trait 關聯。Visscher et al.(2017, Am. J. Hum. Genet.)回顧指出 GWAS 的核心價值在於揭示生物學機制而非個體預測。Missing heritability 的解釋包括:(1) 稀有變異(rare variants)——全外顯子組/基因組定序揭示的影響;(2) 結構變異;(3) 基因-環境交互作用;(4) 表觀遺傳效應。UK Biobank(Sudlow et al., 2015)的 ~500,000 人大型世代研究提升了統計檢定力,解決了部分 missing heritability。

多基因風險評分(PRS)的臨床轉譯

Khera et al.(2018, Nat. Genet.)開發的冠心病 PRS 可識別 ~8% 人口中具 >3 倍風險者。然而 PRS 的跨族群可轉移性(portability)是重大限制:以歐洲裔族群資料訓練的 PRS 在非洲裔族群中預測力顯著下降(Martin et al., 2019, Nat. Genet.),反映 GWAS 樣本的歐洲偏倚。Diversity in genomics 倡議(如 H3Africa, All of Us)旨在填補此缺口。

群體基因組學與人口歷史

Li & Durbin(2011, Nature)的 PSMC(Pairwise Sequential Markovian Coalescent)方法可從單一個體基因組推斷有效族群大小的歷史變化。Schiffels & Durbin(2014)的 MSMC 擴展至多個體。這些工具揭示了非洲族群的長期大 N_e、出非洲瓶頸(~50-70 ka)、以及歐亞族群的冰期波動。

前沿:long-read 全基因組定序在臨床診斷中的應用(如偵測 tandem repeat expansions);spatial transcriptomics 結合基因組變異的組織層級功能研究;以及倫理框架更新(如基因組資料隱私、跨國資料共享、原住民族群的基因組主權)。

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