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”的遺傳結構、追溯中國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，不斷刷新對人類歷史的認知。

7月21日，《細胞》雜志在線發(fā)表了中科院古脊椎動物與古人類研究所付巧妹團隊關于古DNA技術的點評文章。研究人員回顧了古DNA技術的發(fā)展歷史和突破，探討了目前的技術瓶頸和解決方案，展望了未來古DNA技術的發(fā)展方向與前景。

一網(wǎng)打盡 高通量測序革新古DNA研究

目前，在古DNA研究領域，高通量測序技術廣泛應用。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。

在高通量測序普及之前，古DNA研究領域只能依賴聚合酶鏈式反應(PCR)技術測定少數(shù)特定DNA片段的序列。“PCR技術獲取的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。

而高通量測序技術理論上能測序樣本中所有DNA分子的信息，且成本逐年降低。即使古DNA含量極低，高通量測序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，我們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。”付巧妹強調。

當前，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，研究人員研發(fā)出一種DNA捕獲技術，通過設計DNA或RNA探針，像釣魚一樣把目標古DNA從海量的污染DNA中“釣取”出來。這項技術被廣泛應用于人類古基因組研究中。

DNA捕獲技術不僅大大提高古DNA測序效率，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，對古代南方人群的基因組研究。我國南方溫暖潮濕的環(huán)境和當?shù)氐乃?span id="aygsqeq" 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，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。這項技術已成功應用在丹尼索瓦洞和白石崖溶洞中，成功獲取了數(shù)萬年前的古老型人類的DNA。

未來可期 著眼當今人類的生理與健康

雖然古DNA領域成果豐碩，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，其實驗也極為精細，以往古DNA提取和建庫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，不僅節(jié)省了人力和物力，還減少了人工操作引入污染的危險。“然而，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實驗技術需要攻克的下一道難關。”付巧妹說。

另外，古DNA技術的應用遠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探索更大時間尺度的人類演化，都是古分子的重要分支方向。在付巧妹看來，如何更有效地獲取這些信息，并將信息進行多維度結合，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，它從獨一無二的視角書寫了人類數(shù)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自于古老型人類，這些基因涉及先天免疫、脂代謝、高海拔實用性、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，研究人員推測與環(huán)境適應性相關。

“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，可以通過構建動物模型并結合基因編輯技術對這些發(fā)現(xiàn)進行驗證。”付巧妹說，結合古DNA技術與現(xiàn)代前沿分子生物學技術，將能更清晰地理解人類演化史對我們當今人類健康的影響。(科技日報記者 陸成寬)