Advanced Science | 港城大李帅成团队开发长读长测序免疫基因分型新算法

在精准医疗的征途中，人体免疫系统始终是最复杂、最难攻克的领域之一。人类白细胞抗原（HLA）、杀伤细胞免疫球蛋白样受体（KIR）、免疫球蛋白（IG）以及T细胞受体（TCR）等基因家族，共同构成了人体抵御病原体的严密防线。然而，这些区域由于具备高度多态性、结构变异复杂、序列高度同源等特性，长期以来被视为基因组学中的“暗盒”，现有方法往往难以实现高精度的完整解析。

近日，香港城市大学李帅成教授团队在学术期刊《Advanced Science》上发表新成果。研究团队开发了首个统一的计算框架——SpecImmune。该工具不仅能够利用长读长测序数据实现HLA、KIR、IG和TCR四大免疫基因家族的同步分型，还首次将涉及药物代谢的CYP家族纳入统一分析框架，为免疫学和精准医学研究提供了强有力的技术支撑。

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创新算法：破解复杂基因解析难题

SpecImmune的核心优势在于其独特的工作流（见图1）。传统工具往往受限于特定测序平台或单一基因家族，而SpecImmune通过以下关键步骤实现了技术飞跃：

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精准Reads分箱（Reads Binning）：特定基因座的数据库（如IMGT/HLA、IPD-KIR等）比对，对reads进行精细化分箱，有效解决了跨基因同源序列的干扰。

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匹配最佳allele对：采用基于优化策略的方法，为每个基因座筛选出最匹配的allele对，从而极大提升了后续变异检测和单倍型相位划分（Phasing）的准确度。

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迭代haplotype重建：利用迭代的图谱算法重建个性化单倍型序列，输出高质量的二倍体单倍型结果。

Figure 1a-f展示了从原始长读长数据提取，到基于最佳等位基因对进行变异检测，再到利用迭代算法重建单倍型的全过程。此外，该工具还提供类似IGV的直观可视化报告（Figure 1f），方便研究人员对基因分型进行人工核验。

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卓越性能：全面超越现有标准

研究团队在包含1000 Genomes Project（1kGP）、HPRC、HGSVC在内的多个权威大规模数据集（共计超过1100个样本）上对SpecImmune进行了严格测试。

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HLA分型精度：在HPRC HiFi数据集中，SpecImmune的four-field HLA分型准确率达到98%，显著优于主流工具HLA*LA（提升约11%）和团队前期开发的SpecHLA（提升约12%）。相比现有工具通常只能处理少数几个HLA基因，SpecImmune可同时处理39个MHC基因，涵盖了HLA I类、II类及假基因和non-HLA基因 。

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全面处理免疫基因：它不仅支持KIR分型及germline IG/TCR基因分型，同时还支持CYP基因分型。并且具有极高的可拓展性，方便处理个性化复杂基因。

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多平台兼容：该框架不仅支持PacBio HiFi/CLR和Oxford Nanopore（ONT）等全基因组测序（WGS）数据，还兼容扩增子测序数据以及长读长RNA-seq数据，实现了全方位、多维度的解析。

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科学新知：揭示人群演化与协同进化

基于该框架对1kGP人群的深度分析，研究团队发现：

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非洲人群的多样性优势：研究发现，非洲人群在germline IG和TCR基因座上表现出显著更高的杂合度。

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协同进化网络：通过对不同基因家族间的关联分析，研究揭示了免疫基因间广泛存在的协同进化模式。基因被划分为两个功能独特的群落：“综合免疫-代谢群落”和“自适应呈递群落” 。

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结语

SpecImmune以一个统一、开源且高效的平台，实现了对人体最复杂遗传区域的精准分型。该框架将促进免疫学、演化基因组学和个性化医学的交叉融合，为未来揭示复杂疾病的致病机理及开发新型免疫疗法奠定基础。

目前，SpecImmune已在GitHub开源（https://github.com/

deepomicslab/SpecImmune）。

参考文献：Wang, S., et al. (2026). A Scalable Framework for Comprehensive Typing of Polymorphic Immune Genes from Long-Read Data. Advanced Science.

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