古DNA技術(shù)如何發(fā)展？付巧妹團(tuán)隊稱“浪里淘金”未來可期
中新網(wǎng)北京7月22日電 (記者 孫自法)備受關(guān)注的古DNA(脫氧核糖核酸)技術(shù)是怎么發(fā)展起來的？又怎樣應(yīng)用于科學(xué)研究？取得哪些重要成果？未來前景如何？
中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所(中科院古脊椎所)付巧妹研究員應(yīng)國際知名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》邀請，帶領(lǐng)她的團(tuán)隊成員中科院古脊椎所劉逸宸特別研究助理、伊桑·安德魯·貝內(nèi)特(Ethan Andrew Bennett)副研究員，在專題討論最新生物技術(shù)的前沿和發(fā)展特刊中，領(lǐng)銜古DNA前沿領(lǐng)域針對古DNA技術(shù)的發(fā)展與未來共同撰寫評述性論文指出，過去十多年里，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，不斷刷新人們對人類歷史的認(rèn)知。
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”(北京田園洞人)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……在付巧妹團(tuán)隊看來，古DNA技術(shù)在科研領(lǐng)域特別是探究已滅絕人類與現(xiàn)代人群的基因交流及不同階段的現(xiàn)代人演化等方面，發(fā)揮出“浪里淘金”“點石成金”的重要作用，發(fā)展?jié)摿薮�，未來前景可期�?/p>
這篇重要的古DNA技術(shù)評述性論文，北京時間7月21日夜間在《細(xì)胞》在線發(fā)表。付巧妹團(tuán)隊在文中回顧古DNA技術(shù)發(fā)展歷史和突破，探討目前技術(shù)瓶頸和解決方案，并對未來古DNA技術(shù)發(fā)展方向與前景進(jìn)行展望。
一網(wǎng)打盡：高通量測序革新古DNA領(lǐng)域
付巧妹團(tuán)隊介紹說，高通量測序(也稱“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)域只能依賴聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(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。
2010年以來古DNA技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。 付巧妹團(tuán)隊 供圖
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。不僅如此，通過生物信息學(xué)手段，科研人員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。因此，這一方法，現(xiàn)已成為科研領(lǐng)域古DNA檢測的重要標(biāo)準(zhǔn)。
此外，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)行多種調(diào)整與優(yōu)化。其中，half-UDG(半-尿嘧啶-DNA糖基化酶)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。
單鏈DNA文庫則是針對古DNA中常常存在大量單鏈粘性末端的情況，直接將雙鏈DNA變性成單鏈DNA構(gòu)建文庫，從而更有效地測序受損的單鏈古DNA。
挑戰(zhàn)極限：DNA捕獲技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展
付巧妹團(tuán)隊指出，盡管高通量測序已能較為有效測序古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(shù)據(jù)的1%不到。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(核糖核酸)探針，像釣魚一樣把目標(biāo)古DNA從海量的受污染DNA中“釣取”出來。這項技術(shù)廣泛應(yīng)用于人類古基因組研究中，目前超過三分之二的人類古基因組數(shù)據(jù)來自于一個叫“1240k”的探針組的捕獲數(shù)據(jù)。
DNA捕獲技術(shù)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(shù)據(jù)用以分析。一個典型的例子是付巧妹團(tuán)隊去年發(fā)表在《細(xì)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(huán)境和當(dāng)?shù)氐乃嵝酝寥蓝疾焕诠臘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)。利用DNA捕獲技術(shù)，付巧妹團(tuán)隊成功獲取30個古南方人群的基因組信息，從而揭示出一萬余年以來東亞和東南亞交匯處的人群遺傳史。
付巧妹團(tuán)隊透露，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，成功獲取數(shù)萬年前的古老型人類的DNA。
未來可期：提升效率拓展視野、著眼人類健康
付巧妹團(tuán)隊指出，雖然古DNA領(lǐng)域研究成果豐碩，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，其實驗過程也極為精細(xì)，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(shù)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(jī)器人平臺中，不僅極大節(jié)省人力和物力，還減少了人工操作引入污染的風(fēng)險。不過，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)的需要攻克的下一道難關(guān)。
另外，古DNA技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)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(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等，都是古分子的重要分支方向。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，將是未來研究的難點之一。
付巧妹團(tuán)隊表示，古DNA是帶著時間刻度的遺傳信息，它從獨(dú)一無二的視角書寫人類數(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。當(dāng)今人們一些重要功能基因單倍型就推測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。還有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(距今約2.65萬-1.9萬年)快結(jié)束或之后不久的時間里頻率升高，推測與環(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尚未確定。“在未來，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)，我們將能更清晰地理解演化史對我們當(dāng)今人類健康的影響。”付巧妹團(tuán)隊總結(jié)說。(完)
