古DNA技術(shù)的歷史與未來
作者:劉逸宸、付巧妹(分別系中科院古脊椎所特別研究助理,研究員)
基因組三維結(jié)構(gòu)、類器官技術(shù)、微生物組學(xué)研究、大腦單細(xì)胞測序、癌癥疫苗……突飛猛進的生物技術(shù)不僅推動了科學(xué)研究的發(fā)展,也滲入我們生活的方方面面,影響著當(dāng)今人類的生活與健康。對此,國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》發(fā)布特刊,專題討論最新生物技術(shù)的前沿和發(fā)展。中國科學(xué)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(lǐng)銜古DNA前沿領(lǐng)域,針對古DNA技術(shù)的發(fā)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(xì)胞》雜志上在線發(fā)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(xiàn)代人——“田園人”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(rèn)知。
那么,古DNA技術(shù)有什么樣的發(fā)展歷史和重大突破?目前的技術(shù)瓶頸和解決方案是什么?未來,古DNA技術(shù)如何發(fā)展?
一網(wǎng)打盡——高通量測序革新古DNA領(lǐng)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(shù)。在高通量測序普及之前,古DNA領(lǐng)域只能依賴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。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(xué)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(dá)到鑒別古DNA的目的。這一方法,也成了領(lǐng)域中古DNA檢測的重要標(biāo)準(zhǔn)。
除此之外,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)進行了多種調(diào)整與優(yōu)化。其中,half-UDG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黏性末端的情況,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
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(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。這項技術(shù)廣泛應(yīng)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(shù)據(jù)來自一個叫“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(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,成功獲取了數(shù)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(dāng)今人類健康
雖然古DNA領(lǐng)域成果豐碩,但古DNA研究卻一直充滿了艱辛和挑戰(zhàn)。古DNA本身極易受到污染,其實驗也極為精細(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器人平臺中,不僅極大節(jié)省了人力和物力,還減少了人工操作引入污染的風(fēng)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(shù)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,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(jié)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(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。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(yīng)性、膚色、新冠重癥易感性等。還有關(guān)于我們東亞人群特有的與頭發(fā)和牙齒表型相關(guān)的基因型,也是在末次盛冰期之后頻率升高,推測與環(huán)境適應(yīng)性相關(guān)。然而,還有很多很多古DNA研究發(fā)現(xiàn)的特殊基因型的功能還未能確定。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)進行驗證。結(jié)合古DNA技術(shù)與現(xiàn)代前言分子生物學(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。
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