■本報記者 胡珉琦 實習(xí)生 滕文鈺
重建已滅絕古人類——尼安德特人和丹尼索瓦人的全基因組、繪制全球人群遷徙交流歷史、挖掘最古老東亞現(xiàn)代人“田園人”的遺傳結(jié)構(gòu)、揭示東亞人群末次盛冰期前后適應(yīng)性基因的變化、追溯中國南北方人群格局的形成、溯源南島語系人群的中國南方起源……在過去十余年里，研究人員利用古DNA技術(shù)發(fā)掘出那些遺落了成千上萬年的遺傳信息，從中抽絲剝繭，不斷刷新人類對自身演化歷程的認(rèn)知。
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7月21日，《細(xì)胞》發(fā)布特刊討論了最新生物技術(shù)的前沿發(fā)展。中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所研究員付巧妹團(tuán)隊受邀領(lǐng)銜古DNA前沿領(lǐng)域針對古DNA技術(shù)發(fā)展與未來發(fā)表評述性論文。文章回顧了古DNA技術(shù)的發(fā)展歷史和突破，探討了目前的技術(shù)瓶頸和解決方案，以及未來古DNA技術(shù)的發(fā)展方向與前景。
高通量測序?qū)⒐臘NA領(lǐng)域“一網(wǎng)打盡”
高通量測序，又叫二代測序，是一種快速測定大量DNA序列的技術(shù)。在高通量測序普及之前，古DNA領(lǐng)域只能依賴PCR技術(shù)測定少數(shù)特定DNA片段的序列。
“這種方法獲取的DNA信息極其有限，而且難以區(qū)分真正的古DNA和污染DNA。高通量測序理論上能測序樣本中所有DNA分子的信息，且成本逐年降低。即使是含量極低的古DNA，也能很有效地對其進(jìn)行測序。”付巧妹解釋道。不僅如此，通過生物信息學(xué)手段，還能快速檢測樣本中是否存在古DNA損傷，從而達(dá)到鑒別古DNA的目的。這一方法也成了領(lǐng)域中古DNA檢測的重要標(biāo)準(zhǔn)。
除此之外，研究人員還根據(jù)古DNA的特點，對高通量測序的實驗方法（DNA文庫構(gòu)建）進(jìn)行了多種調(diào)整與優(yōu)化。
付巧妹提到，half-UDG處理和單鏈DNA文庫的構(gòu)建是最重要的兩項技術(shù)突破。Half-UDG技術(shù)既能保留部分DNA末端損傷，又能修復(fù)大部分古DNA損傷，從而在保留古DNA特征的同時，提高古DNA測序結(jié)果的準(zhǔn)確性。而單鏈DNA文庫則針對古DNA中常常存在大量單鏈黏性末端的情況，直接將雙鏈DNA變性成單鏈DNA構(gòu)建文庫，從而更有效地對受損的單鏈古DNA測序。
DNA捕獲技術(shù)挑戰(zhàn)極限
“盡管高通量測序已能較為有效地測序古DNA，但由于古DNA提取物中常常包含大量污染DNA，使得測序的大部分DNA分子都是沒有用的信息，真正有用的古DNA序列常常只占測序數(shù)據(jù)的1%不到。”付巧妹表示。
對此，研究人員在古DNA領(lǐng)域研發(fā)應(yīng)用了DNA捕獲技術(shù)——通過設(shè)計DNA或RNA探針，像釣魚一樣把目標(biāo)古DNA從海量的污染DNA中“釣取”出來。
這項技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于人類古基因組研究中，有超過2/3的人類古基因組數(shù)據(jù)來自于一個名為“1240k”的探針組捕獲的數(shù)據(jù)。
“DNA捕獲技術(shù)不僅使得古DNA測序效率大大提高，還能有效地從一些‘棘手’的樣本中得到足夠的數(shù)據(jù)用于分析。”付巧妹說。
一個典型的例子就是付巧妹團(tuán)隊去年發(fā)表在《細(xì)胞》上的古代南方人群的基因組研究。中國南方溫暖、潮濕的環(huán)境和當(dāng)?shù)氐乃嵝酝寥朗植焕诠臘NA的保存，使得這片區(qū)域的古DNA研究一度處于空白狀態(tài)。當(dāng)時，正是利用DNA捕獲技術(shù)，付巧妹團(tuán)隊成功獲取了30個古南方人群的基因組信息，揭示了1萬余年以來東亞和東南亞交匯處的人群遺傳史。
最近，古DNA研究人員進(jìn)一步挑戰(zhàn)極限，擺脫化石的桎梏，直接從“土”里提取古DNA。這項技術(shù)已成功應(yīng)用于丹尼索瓦洞和白石崖溶洞，成功獲取了數(shù)萬年前的已滅絕古人類的DNA。古DNA技術(shù)不斷迭代、“浪里淘金”的過程仍在持續(xù)。
未來要攻克的難關(guān)
雖然古DNA領(lǐng)域成果豐碩，但古DNA研究卻一直充滿了艱辛和挑戰(zhàn)。
古DNA本身極易受到污染，實驗要求極為精細(xì)，而以往古DNA提取和建庫幾乎全程依賴人工操作。付巧妹介紹，最近，在全球少數(shù)幾個實驗室中，部分古DNA實驗步驟已經(jīng)成功整合到了全自動移液機器人平臺中，不僅極大節(jié)省了人力和物力，還減少了人工操作引入污染的風(fēng)險。
“目前樣品的前處理步驟仍只能依賴人工，如何把這項耗時、耗力的工作整合到自動化體系中，是古DNA實驗技術(shù)需要攻克的下一道難關(guān)。”付巧妹指出。
此外，古DNA技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于人類古基因組。付巧妹介紹，通過古微生物DNA信息追溯古代疫病流行和共生微生物演化，利用古表觀遺傳學(xué)信息探究古代動物和環(huán)境的相互作用，以及利用古蛋白質(zhì)探索更大時間尺度的人類演化，這些都是古分子的重要分支方向。在她看來，如何更有效地獲取這些信息，并把信息進(jìn)行多維度結(jié)合，是未來研究的難點之一。
古DNA是帶著時間刻度的遺傳信息，它從獨特的視角書寫了人類數(shù)萬年來的演化與適應(yīng)。這些歲月的痕跡不僅記錄了人類的遺傳歷史，還在持續(xù)地影響著現(xiàn)今人群的生理和健康。
“我們推測，一些重要功能基因單倍型就來自于已滅絕古人類，這些基因涉及到先天免疫、脂代謝、高海拔適應(yīng)性、膚色、新冠重癥易感性等。此外，還有我們東亞人群特有的與頭發(fā)和牙齒表型相關(guān)的基因型，也是在末次盛冰期之后頻率升高，推測與環(huán)境適應(yīng)性相關(guān)。”付巧妹表示。
此外，還有很多古DNA研究發(fā)現(xiàn)的特殊基因型的功能尚未確定。付巧妹認(rèn)為，未來，可以通過構(gòu)建動物模型并結(jié)合基因編輯技術(shù)對這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)行驗證。“結(jié)合古DNA技術(shù)與現(xiàn)代前沿分子生物學(xué)技術(shù)，我們可以更清晰地理解演化史對當(dāng)今人類健康的影響。”
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.06.009
《中國科學(xué)報》 (2022-07-22 第1版 要聞)標(biāo)簽：
