古DNA技术：挖掘古代人类遗传信息的利器

本报记者陆成宽

挖掘全球人群迁徙交流史、绘制最古老东亚现代人“田园人”的遗传结构、追溯中国南北方人群格局的形成……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，不断刷新对人类历史的认知。

7月21日，《细胞》杂志在线发表了中科院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹团队关于古DNA技术的点评文章。研究人员回顾了古DNA技术的发展历史和突破，探讨了目前的技术瓶颈和解决方案，展望了未来古DNA技术的发展方向与前景。

一网打尽高通量测序革新古DNA研究

目前，在古DNA研究领域，高通量测序技术广泛应用。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研究领域只能依赖聚合酶链式反应(PCR)技术测定少数特定DNA片段的序列。“PCR技术获取的DNA信息极其有限，而且难以区分真正的古DNA和污染DNA。”付巧妹说。

而高通量测序技术理论上能测序样本中所有DNA分子的信息，且成本逐年降低。即使古DNA含量极低，高通量测序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，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。”付巧妹强调。

当前，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，研究人员研发出一种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。这项技术被广泛应用于人类古基因组研究中。

DNA捕获技术不仅大大提高古DNA测序效率，还能有效地从一些“棘手”的样本中得到足够的数据用于分析。

比如，对古代南方人群的基因组研究。我国南方温暖潮湿的环境和当地的酸性土壤不利于古DNA保存，这片区域的古DNA研究一度处于空白。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古老型人类的DNA。

未来可期着眼当今人类的生理与健康

虽然古DNA领域成果丰硕，但古DNA研究却一直充满艰辛和挑战。

“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依赖人工操作。”付巧妹介绍。

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，不仅节省了人力和物力，还减少了人工操作引入污染的危险。“然而，目前样品的前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。”付巧妹说。

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，都是古分子的重要分支方向。在付巧妹看来，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，它从独一无二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。

付巧妹表示，现代人的一些重要功能基因单倍型就来自于古老型人类，这些基因涉及先天免疫、脂代谢、高海拔实用性、肤色等。此外，东亚人群的头发和牙齿表型的基因型，也是在末次盛冰期之后频率升高，研究人员推测与环境适应性相关。

“然而，还有很多古DNA研究发现的特殊基因型的功能未能确定。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。”付巧妹说，结合古DNA技术与现代前沿分子生物学技术，将能更清晰地理解人类演化史对我们当今人类健康的影响。