古DNA技術：挖掘古代人類遺傳資訊的利器

本報記者陸成寬

挖掘全球人群遷徙交流史、繪製最古老東亞現代人“田園人”的遺傳結構、追溯中國南北方人群格局的形成……過去十餘年裏，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資訊，從中抽絲剝繭，不斷刷新對人類歷史的認知。

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

一網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)技術測定少數特定DNA片段的序列。“PCR技術獲取的DNA資訊極其有限，而且難以區分真正的古DNA和污染DNA。”付巧妹説。

而高通量測序技術理論上能測序樣本中所有DNA分子的資訊，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，通過生物資訊學手段，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，儘管高通量測序已能較為有效地測序古DNA，但由於古DNA提取物中常常包含大量污染DNA，使得測序的大部分DNA分子都是無用的資訊，真正有用的古DNA序列常常只佔測序數據的1%不到。

對此，研究人員研發出一種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於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據用於分析。

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境和當地的酸性土壤不利於古DNA保存，這片區域的古DNA研究一度處於空白。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資訊，揭示了一萬餘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極限，他們脫離化石的桎梏，直接從“土”(沉積物)裏提取古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。

“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，不僅節省了人力和物力，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。”付巧妹説。

另外，古DNA技術的應用遠不止於人類古基因組。通過古微生物資訊追溯古代疫病流行和共生微生物演化、利用古表觀遺傳學資訊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，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資訊，並將資訊進行多維度結合，將是未來研究的難點之一。

古DNA是帶著時間刻度的遺傳資訊，它從獨一無二的視角書寫了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歷史，還在持續地影響著現今人群的生理和健康。

付巧妹表示，現代人的一些重要功能基因單倍型就來自於古老型人類，這些基因涉及先天免疫、脂代謝、高海拔實用性、膚色等。此外，東亞人群的頭髮和牙齒表型的基因型，也是在末次盛冰期之後頻率升高，研究人員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未能確定。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。”付巧妹説，結合古DNA技術與現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。