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刘逸宸、付巧妹:古DNA技术的历史与未来

2022-08-11 光明日报
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  基因组三维结构、类器官技术、微生物组学研究、大脑单细胞测序、癌症疫苗……突飞猛进的生物技术不仅推动了电子游戏网址注册的发展,也渗入我们生活的方方面面,影响着当今人类的生活与健康。对此,国际学术期刊《细胞》发布特刊,专题讨论最新生物技术的前沿和发展。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所(以下简称“中科院古脊椎所”)付巧妹研究员受邀领衔古DNA前沿领域,针对古DNA技术的发展与未来撰写评述性文章(第一作者为中科院古脊椎所特别研究助理刘逸宸)。该论文于2022年7月21日在《细胞》杂志上在线发表。

  重建已灭绝古人类——尼安德特人和丹尼索瓦人的全基因组、绘制全球人群迁徙交流历史、挖掘最古老东亚现代人——“田园人”的遗传结构、揭示东亚人群末次盛冰期前后适应性基因的变化、追溯中国南北方人群格局的形成、溯源南岛语系人群的中国南方起源……在过去十余年里,研究人员利用古DNA技术发掘出那些遗落了成千上万年的遗传信息,从中抽丝剥茧,不断刷新我们对人类历史的认知。

  那么,古DNA技术有什么样的发展历史和重大突破?目前的技术瓶颈和解决方案是什么?未来,古DNA技术如何发展?

  一网打尽——高通量测序革新古DNA领域

  高通量测序,又叫“二代测序”,是一种快速测定大量DNA序列的技术。在高通量测序普及之前,古DNA领域只能依赖PCR技术测定少数特定DNA片段的序列。这种方法获取的DNA信息极其有限,而且难以区分真正的古DNA和污染DNA。高通量测序理论上能测序样本中所有DNA分子的信息,且成本逐年降低。即使是含量极低的古DNA,也能很有效地对其进行测序。不仅如此,通过生物信息学手段(如mapDamage软件),我们还能快速检测样本中是否存在古DNA损伤,从而达到鉴别古DNA的目的。这一方法,也成了领域中古DNA检测的重要标准。

  除此之外,研究人员还根据古DNA的特点,对高通量测序的实验方法(DNA文库构建)进行了多种调整与优化。其中,half-UDG处理和单链DNA文库的构建是最重要的两项技术突破。Half-UDG技术既能保留部分DNA末端损伤,又能修复大部分古DNA损伤,从而在保留古DNA特征的同时,提高古DNA测序结果的准确性。单链DNA文库则是针对古DNA中常常存在大量单链黏性末端的情况,直接将双链DNA变性成单链DNA构建文库,从而更有效地测序受损的单链古DNA。

  挑战极限——DNA捕获技术的应用和发展

  尽管高通量测序已能较为有效地测序古DNA,但由于古DNA提取物中常常包含大量污染DNA,使得测序的大部分DNA分子都是无用的信息,真正有用的古DNA序列常常只占测序数据的1%不到。对此,研究人员在古DNA领域研发应用了DNA捕获技术——通过设计DNA或RNA探针,像钓鱼一样把目标古DNA从海量的污染DNA中“钓取”出来。这项技术广泛应用于人类古基因组研究中,目前超过2/3的人类古基因组数据来自一个叫“1240k”的探针组的捕获数据。

  DNA捕获技术不仅使得对古DNA的测序效率大大提高,还能有效从一些“棘手”的样本中得到足够的数据用以分析。一个典型的例子是去年发表在《细胞》杂志上的古代南方人群的基因组研究。中国南方温暖潮湿的环境和当地的酸性土壤都不利于古DNA的保存,使得这片区域的古DNA研究一度处于空白状态。利用DNA捕获技术,付巧妹团队成功获取了30个古南方人群的基因组信息,揭示了一万余年以来东亚和东南亚交汇处的人群遗传史。

  最近,古DNA研究人员进一步挑战极限,他们脱离化石的桎梏,直接从“土”(沉积物)里提取古DNA。这项技术已成功应用在丹尼索瓦洞和白石崖溶洞中,成功获取了数万年前的已灭绝古人类的DNA。

  未来可期——提升效率、拓宽视野、着眼当今人类健康

  虽然古DNA领域成果丰硕,但古DNA研究却一直充满了艰辛和挑战。古DNA本身极易受到污染,其实验也极为精细,以往古DNA提取和建库几乎全程都依赖人工操作。最近,在全球少数几个实验室中,部分古DNA实验步骤成功整合到全自动移液机器人平台中,不仅极大节省了人力和物力,还减少了人工操作引入污染的风险。然而,目前样品的前期处理步骤仍只能依赖人工,如何把这项耗时耗力的工作整合到自动化体系中,是古DNA实验技术需要攻克的下一道难关。

  另外,古DNA技术的应用远不止于人类古基因组。通过古微生物DNA信息追溯古代疫病流行和共生微生物演化、利用古表观遗传学信息探究古代动物和环境的相互作用,以及利用古蛋白质探索更大时间尺度的人类演化,都是古分子研究的重要分支方向。如何更有效地获取这些信息,并将信息进行多维度结合,将是未来研究的难点之一。

  古DNA是带着时间刻度的遗传信息,它从独特的视角书写了人类数万年来的演化与适应。这些岁月的痕迹不仅记录了人类的遗传历史,还在持续地影响着现今人群的生理和健康。我们一些重要功能基因单倍型就推测来自已灭绝古人类,这些基因涉及先天免疫、脂代谢、高海拔适应性、肤色、新冠重症易感性等。还有关于我们东亚人群特有的与头发和牙齿表型相关的基因型,也是在末次盛冰期之后频率升高,推测与环境适应性相关。然而,还有很多很多古DNA研究发现的特殊基因型的功能还未能确定。在未来,可以通过构建动物模型并结合基因编辑技术对这些发现进行验证。结合古DNA技术与现代前言分子生物学技术,我们将能更清晰地理解演化史对我们当今人类健康的影响。

  (作者:刘逸宸、付巧妹,分别系中科院古脊椎所特别研究助理,研究员)

打印 责任编辑:侯茜
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