古DNA技術如何發展?付巧妹團隊稱“浪里淘金”未來可期

2022年07月22日10:26

中新網北京7月22日電 (記者 孫自法)備受關注的古DNA(脫氧核糖核酸)技術是怎麼發展起來的?又怎樣應用於科學研究?取得哪些重要成果?未來前景如何?

  中國科學院古脊椎動物與古人類研究所(中科院古脊椎所)付巧妹研究員應國際知名學術期刊《細胞》邀請,帶領她的團隊成員中科院古脊椎所劉逸宸特別研究助理、伊桑·安德魯·貝內特(Ethan Andrew Bennett)副研究員,在專題討論最新生物技術的前沿和發展特刊中,領銜古DNA前沿領域針對古DNA技術的發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,不斷刷新人們對人類曆史的認知。

  重建已滅絕古人類尼安德特人和丹尼索瓦人的全基因組、繪製全球人群遷徙交流曆史、挖掘最古老東亞現代人“田園人”(北京田園洞人)的遺傳結構、揭示東亞人群末次盛冰期前後適應性基因的變化、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……在付巧妹團隊看來,古DNA技術在科研領域特別是探究已滅絕人類與現代人群的基因交流及不同階段的現代人演化等方面,發揮出“浪里淘金”“點石成金”的重要作用,發展潛力巨大,未來前景可期。

  這篇重要的古DNA技術評述性論文,北京時間7月21日夜間在《細胞》在線發表。付巧妹團隊在文中回顧古DNA技術發展曆史和突破,探討目前技術瓶頸和解決方案,並對未來古DNA技術發展方向與前景進行展望。

  一網打盡:高通量測序革新古DNA領域

  付巧妹團隊介紹說,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。在高通量測序普及之前,古DNA領域只能依賴聚合酶鏈式反應(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和汙染DNA。

2010年以來古DNA技術發展的重要里程碑。 付巧妹團隊 供圖
2010年以來古DNA技術發展的重要里程碑。 付巧妹團隊 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行測序。不僅如此,通過生物信息學手段,科研人員還能快速檢測樣本中是否存在古DNA損傷,從而達到鑒別古DNA的目的。因此,這一方法,現已成為科研領域古DNA檢測的重要標準。

  此外,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)進行多種調整與優化。其中,half-UDG(半-尿嘧啶-DNA糖基化酶)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特徵的同時,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粘性末端的情況,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

  付巧妹團隊指出,儘管高通量測序已能較為有效測序古DNA,但由於古DNA提取物中常常包含大量汙染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(核糖核酸)探針,像釣魚一樣把目標古DNA從海量的受汙染DNA中“釣取”出來。這項技術廣泛應用於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據來自於一個叫“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。一個典型的例子是付巧妹團隊去年發表在《細胞》雜誌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於古DNA的保存,使得這片區域的古DNA研究一度處於空白狀態。利用DNA捕獲技術,付巧妹團隊成功獲取30個古南方人群的基因組信息,從而揭示出一萬餘年以來東亞和東南亞交彙處的人群遺傳史。

  付巧妹團隊透露,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,成功獲取數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

  付巧妹團隊指出,雖然古DNA領域研究成果豐碩,但古DNA研究卻一直充滿艱辛和挑戰。古DNA本身極易受到汙染,其實驗過程也極為精細,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台中,不僅極大節省人力和物力,還減少了人工操作引入汙染的風險。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實驗技術的需要攻克的下一道難關。

  另外,古DNA技術的應用遠不止於人類古基因組。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,並將信息進行多維度結合,將是未來研究的難點之一。

  付巧妹團隊表示,古DNA是帶著時間刻度的遺傳信息,它從獨一無二的視角書寫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曆史,還在持續地影響著現今人群的生理和健康。當今人們一些重要功能基因單倍型就推測來自於已滅絕古人類,這些基因涉及到先天免疫、脂代謝、高海拔適應性、膚色、新冠重症易感性等。還有東亞人群特有的與頭髮和牙齒表型相關的基因型,也是在末次盛冰期(距今約2.65萬-1.9萬年)快結束或之後不久的時間里頻率升高,推測與環境適應性相關。

  然而,還有很多古DNA研究發現的特殊基因型的功能尚未確定。“在未來,可以通過構建動物模型並結合基因編輯技術對這些發現進行驗證。結合古DNA技術與現代前沿分子生物學技術,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。”付巧妹團隊總結說。(完)

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