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人类免疫系统的解码

研究人员有史以来第一次对人类免疫系统进行全面测序,该系统比人类基因组大数十亿倍。在一项来自人类疫苗项目的《自然》杂志上发表的新研究中,科学家们对这个庞大而神秘的系统的关键部分进行了测序,即编码循环中的B细胞受体组成部分的基因。

在成人和婴儿中对这些受体进行测序时,科学家发现了令人惊讶的重叠,它们可以为跨人群工作的疫苗和治疗剂提供潜在的新抗体靶标。作为一项多年计划的一部分,这项工作旨在确定人们应对和适应各种疾病的能力的遗传基础。

在范德比尔特大学医学中心和圣地亚哥超级计算机中心的科学家的带领下,由于生物学研究与高性能前沿超级计算的融合,这种进步是可能的。尽管人类基因组计划对人类基因组进行了测序,并导致了新型基因组学工具的开发,但它并未解决人类免疫系统的规模和复杂性。

“在人类免疫学和疫苗开发领域,一个持续的挑战是,我们没有关于正常健康的人类免疫系统的全面参考数据,”范德比尔特疫苗主任詹姆斯·E·克劳说范德比尔特大学医学中心是该新论文的高级作者,该论文于2月13日在线发表在《自然》杂志上。“在当前时代之前,人们认为不可能进行这样的研究,因为从理论上讲免疫系统是如此。很大,但是此新论文显示可以定义很大的一部分,因为每个人的B细胞受体库的大小出乎意料地小。

这项新研究专门研究了适应性免疫系统的一部分,即循环B细胞受体,负责产生抗体,这些抗体被认为是人们免疫力的主要决定因素。受体随机选择并连接基因片段,形成称为受体“克隆型”的独特核苷酸序列。通过这种方式,少数基因可以导致受体的多样性,使免疫系统几乎可以识别任何新病原体。

研究人员对三个成年人进行了白细胞分离术,他们克隆并测序了多达400亿个细胞,以对组成循环B细胞受体的基因片段的组合进行测序,从而实现了前所未有的深度测序。他们还对三个婴儿的脐带血进行了测序。这个想法是收集关于几个人的大量数据,而不是传统的仅收集许多人的几个数据点的模型。

Crowe解释说:“个体之间抗体序列的重叠程度出乎意料的高,即使在出生时成人和婴儿之间也显示出一些相同的抗体序列。”了解这种共性是确定可作为疫苗和治疗靶标的抗体的关键在整个人群中更普遍地起作用。

一个中心问题是个体之间共享的序列是否是偶然的结果,而不是某些共享的共同生物学或环境因素的结果。为了解决这个问题,研究人员开发了一种合成的B细胞受体库,发现“实验观察到的重叠显着大于偶然所预期的重叠,”圣地亚哥超级计算机中心的Robert Sinkovits博士说。加利福尼亚大学圣地亚哥分校。

作为由人类疫苗项目创建的独特财团的一部分,圣地亚哥超级计算机中心将其强大的计算能力应用于处理数TB的数据。该项目的中心宗旨是将生物医学与先进计算技术相结合。Sinkovits说:“人类疫苗项目使我们能够比在单个实验室中通常能够研究的问题更大的规模研究问题,而且它也将通常无法合作的小组聚集在一起。”

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