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科普之窗

古DNA技術的歷史與未來

馮杰

2022-09-21 07:18

劉逸宸 付巧妹
光明日報( 2022年08月11日 16版)

基因組三維結構、類器官技術、微生物組學研究、大腦單細胞測序、癌癥疫苗……突飛猛進的生物技術不僅推動了科學研究的發展,也滲入我們生活的方方面面,影響著當今人類的生活與健康。對此,國際學術期刊《細胞》發布特刊,專題討論最新生物技術的前沿和發展。中國科學院古脊椎動物與古人類研究所(以下簡稱“中科院古脊椎所”)付巧妹研究員受邀領銜古DNA前沿領域,針對古DNA技術的發展與未來撰寫評述性文章(第一作者為中科院古脊椎所特別研究助理劉逸宸)。該論文于2022年7月21日在《細胞》雜志上在線發表。

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、挖掘最古老東亞現代人——“田園人”的遺傳結構、揭示東亞人群末次盛冰期前后適應性基因的變化、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技術發掘出那些遺落了成千上萬年的遺傳信息,從中抽絲剝繭,不斷刷新我們對人類歷史的認知。

那么,古DNA技術有什么樣的發展歷史和重大突破?目前的技術瓶頸和解決方案是什么?未來,古DNA技術如何發展?

一網打盡——高通量測序革新古DNA領域

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。在高通量測序普及之前,古DNA領域只能依賴PCR技術測定少數特定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行測序。不僅如此,通過生物信息學手段(如mapDamage軟件),我們還能快速檢測樣本中是否存在古DNA損傷,從而達到鑒別古DNA的目的。這一方法,也成了領域中古DNA檢測的重要標準。

除此之外,研究人員還根據古DNA的特點,對高通量測序的實驗方法(DNA文庫構建)進行了多種調整與優化。其中,half-UDG處理和單鏈DNA文庫的構建是最重要的兩項技術突破。Half-UDG技術既能保留部分DNA末端損傷,又能修復大部分古DNA損傷,從而在保留古DNA特征的同時,提高古DNA測序結果的準確性。單鏈DNA文庫則是針對古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構建文庫,從而更有效地測序受損的單鏈古DNA。

挑戰極限——DNA捕獲技術的應用和發展

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分子都是無用的信息,真正有用的古DNA序列常常只占測序數據的1%不到。對此,研究人員在古DNA領域研發應用了DNA捕獲技術——通過設計DNA或RNA探針,像釣魚一樣把目標古DNA從海量的污染DNA中“釣取”出來。這項技術廣泛應用于人類古基因組研究中,目前超過2/3的人類古基因組數據來自一個叫“1240k”的探針組的捕獲數據。

DNA捕獲技術不僅使得對古DNA的測序效率大大提高,還能有效從一些“棘手”的樣本中得到足夠的數據用以分析。一個典型的例子是去年發表在《細胞》雜志上的古代南方人群的基因組研究。中國南方溫暖潮濕的環境和當地的酸性土壤都不利于古DNA的保存,使得這片區域的古DNA研究一度處于空白狀態。利用DNA捕獲技術,付巧妹團隊成功獲取了30個古南方人群的基因組信息,揭示了一萬余年以來東亞和東南亞交匯處的人群遺傳史。

最近,古DNA研究人員進一步挑戰極限,他們脫離化石的桎梏,直接從“土”(沉積物)里提取古DNA。這項技術已成功應用在丹尼索瓦洞和白石崖溶洞中,成功獲取了數萬年前的已滅絕古人類的DNA。

未來可期——提升效率、拓寬視野、著眼當今人類健康

雖然古DNA領域成果豐碩,但古DNA研究卻一直充滿了艱辛和挑戰。古DNA本身極易受到污染,其實驗也極為精細,以往古DNA提取和建庫幾乎全程都依賴人工操作。最近,在全球少數幾個實驗室中,部分古DNA實驗步驟成功整合到全自動移液機器人平臺中,不僅極大節省了人力和物力,還減少了人工操作引入污染的風險。然而,目前樣品的前期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實驗技術需要攻克的下一道難關。

另外,古DNA技術的應用遠不止于人類古基因組。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、利用古表觀遺傳學信息探究古代動物和環境的相互作用,以及利用古蛋白質探索更大時間尺度的人類演化,都是古分子研究的重要分支方向。如何更有效地獲取這些信息,并將信息進行多維度結合,將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萬年來的演化與適應。這些歲月的痕跡不僅記錄了人類的遺傳歷史,還在持續地影響著現今人群的生理和健康。我們一些重要功能基因單倍型就推測來自已滅絕古人類,這些基因涉及先天免疫、脂代謝、高海拔適應性、膚色、新冠重癥易感性等。還有關于我們東亞人群特有的與頭發和牙齒表型相關的基因型,也是在末次盛冰期之后頻率升高,推測與環境適應性相關。然而,還有很多很多古DNA研究發現的特殊基因型的功能還未能確定。在未來,可以通過構建動物模型并結合基因編輯技術對這些發現進行驗證。結合古DNA技術與現代前言分子生物學技術,我們將能更清晰地理解演化史對我們當今人類健康的影響。

(作者分別系中科院古脊椎所特別研究助理,研究員)


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