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。”付巧妹說。

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。”付巧妹強(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)，通過設(shè)計(jì)DNA或RNA探針，像釣魚一樣把目標(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?span id="ffffff9" class="keyword">性土壤不利于古DNA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。”付巧妹介紹。

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)。“然而，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)。”付巧妹說。

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)二的視角書寫了人類數(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。”付巧妹說，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。(科技日?qǐng)?bào)記者 陸成寬)