古DNA技術(shù):挖掘古代人類遺傳信息的利器
挖掘全球人群遷徙交流史、繪制最古老東亞現(xiàn)代人“田園人”的遺傳結(jié)構(gòu)、追溯中國(guó)南北方人群格局的形成……過(guò)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(wàn)年的遺傳信息,從中抽絲剝繭,不斷刷新對(duì)人類歷史的認(rèn)知。
7月21日,《細(xì)胞》雜志在線發(fā)表了中科院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所付巧妹團(tuán)隊(duì)關(guān)于古DNA技術(shù)的點(diǎn)評(píng)文章。研究人員回顧了古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,展望了未來(lái)古DNA技術(shù)的發(fā)展方向與前景。
一網(wǎng)打盡 高通量測(cè)序革新古DNA研究
目前,在古DNA研究領(lǐng)域,高通量測(cè)序技術(shù)廣泛應(yīng)用。高通量測(cè)序又叫“二代測(cè)序”,是一種快速測(cè)定大量DNA序列的技術(shù)。
在高通量測(cè)序普及之前,古DNA研究領(lǐng)域只能依賴聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)測(cè)定少數(shù)特定DNA片段的序列。“PCR技術(shù)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?!备肚擅谜f(shuō)。
而高通量測(cè)序技術(shù)理論上能測(cè)序樣本中所有DNA分子的信息,且成本逐年降低。即使古DNA含量極低,高通量測(cè)序也能很有效地對(duì)其進(jìn)行測(cè)序。“不僅如此,通過(guò)生物信息學(xué)手段,我們還能快速檢測(cè)樣本中是否存在古DNA損傷,從而達(dá)到鑒別古DNA的目的?!备肚擅脧?qiáng)調(diào)。
當(dāng)前,盡管高通量測(cè)序已能較為有效地測(cè)序古DNA,但由于古DNA提取物中常常包含大量污染DNA,使得測(cè)序的大部分DNA分子都是無(wú)用的信息,真正有用的古DNA序列常常只占測(cè)序數(shù)據(jù)的1%不到。
對(duì)此,研究人員研發(fā)出一種DNA捕獲技術(shù),通過(guò)設(shè)計(jì)DNA或RNA探針,像釣魚(yú)一樣把目標(biāo)古DNA從海量的污染DNA中“釣取”出來(lái)。這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人類古基因組研究中。
DNA捕獲技術(shù)不僅大大提高古DNA測(cè)序效率,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。
比如,對(duì)古代南方人群的基因組研究。我國(guó)南方溫暖潮濕的環(huán)境和當(dāng)?shù)氐乃嵝酝寥啦焕诠臘NA保存,這片區(qū)域的古DNA研究一度處于空白。利用DNA捕獲技術(shù),付巧妹團(tuán)隊(duì)成功獲取了30個(gè)古南方人群的基因組信息,揭示了一萬(wàn)余年以來(lái)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,他們脫離化石的桎梏,直接從“土”(沉積物)里提取古DNA。這項(xiàng)技術(shù)已成功應(yīng)用在丹尼索瓦洞和白石崖溶洞中,成功獲取了數(shù)萬(wàn)年前的古老型人類的DNA。
未來(lái)可期 著眼當(dāng)今人類的生理與健康
雖然古DNA領(lǐng)域成果豐碩,但古DNA研究卻一直充滿艱辛和挑戰(zhàn)。
“古DNA本身極易受到污染,其實(shí)驗(yàn)也極為精細(xì),以往古DNA提取和建庫(kù)幾乎全程依賴人工操作?!备肚擅媒榻B。
最近,在全球少數(shù)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室中,部分古DNA實(shí)驗(yàn)步驟成功整合到全自動(dòng)移液機(jī)器人平臺(tái)中,不僅節(jié)省了人力和物力,還減少了人工操作引入污染的危險(xiǎn)?!叭欢?,目前樣品的前處理步驟仍只能依賴人工,如何把這項(xiàng)耗時(shí)耗力的工作整合到自動(dòng)化體系中,是古DNA實(shí)驗(yàn)技術(shù)需要攻克的下一道難關(guān)?!备肚擅谜f(shuō)。
另外,古DNA技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于人類古基因組。通過(guò)古微生物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(dòng)物和環(huán)境的相互作用以及利用古蛋白質(zhì)探索更大時(shí)間尺度的人類演化,都是古分子的重要分支方向。在付巧妹看來(lái),如何更有效地獲取這些信息,并將信息進(jìn)行多維度結(jié)合,將是未來(lái)研究的難點(diǎn)之一。
古DNA是帶著時(shí)間刻度的遺傳信息,它從獨(dú)一無(wú)二的視角書(shū)寫(xiě)了人類數(shù)萬(wàn)年來(lái)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。
付巧妹表示,現(xiàn)代人的一些重要功能基因單倍型就來(lái)自于古老型人類,這些基因涉及先天免疫、脂代謝、高海拔實(shí)用性、膚色等。此外,東亞人群的頭發(fā)和牙齒表型的基因型,也是在末次盛冰期之后頻率升高,研究人員推測(cè)與環(huán)境適應(yīng)性相關(guān)。
“然而,還有很多古DNA研究發(fā)現(xiàn)的特殊基因型的功能未能確定。未來(lái),可以通過(guò)構(gòu)建動(dòng)物模型并結(jié)合基因編輯技術(shù)對(duì)這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)證?!备肚擅谜f(shuō),結(jié)合古DNA技術(shù)與現(xiàn)代前沿分子生物學(xué)技術(shù),將能更清晰地理解人類演化史對(duì)我們當(dāng)今人類健康的影響。(記者 陸成寬)
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