《Cell》付巧妹：細數古DNA技術發展史

在過去的10年里，中國科學院古脊椎動物與古人類研究所的付巧妹領導的研究人員利用古DNA (aDNA)技術，挖掘出了古人類，尤其是東亞古人類的歷史。

作為他們工作的一部分，研究人員重建了兩個已經滅絕的古人類群體——尼安德特人和丹尼索瓦人的整個基因組;繪制了全球人口遷移和相互作用的歷史地圖;揭示了最古老的東亞人的基因結構;揭示了東亞冰期種群的適應性遺傳變化;追溯了中國北方和南方人口格局的形成，以及中國南方南島人口的起源。

最近，付巧妹的團隊回顧了aDNA技術的發展歷史，討論了目前的技術瓶頸和解決方案，并評估了該技術的未來。

這項研究發表在7月21日的《Cell》。

本研究討論的一項關鍵技術是高通量測序，這是一種對大量DNA進行快速測序的技術。理論上它可以對樣本中的所有DNA分子進行測序。

在高通量測序普及之前，aDNA領域依靠聚合酶鏈反應(PCR)技術來測序一些特定的DNA片段。利用這種技術，研究人員只能提取非常有限的DNA信息，而且很難區分真正的aDNA和污染的DNA。

為了補充測序技術的進步，aDNA研究人員還開發了改進的DNA文庫構建方法，以更好地反映aDNA的特征。其中，部分尿嘧啶-DNA糖基化酶(UDG)處理和單鏈DNA文庫構建是最重要的兩種方法。部分UDG處理不僅保留了DNA片段尖端的部分DNA損傷信號，而且消除了分子其余部分的大部分aDNA損傷。該方法提高了aDNA測序結果的準確性，同時保留了需要驗證的aDNA特征。單鏈DNA文庫構建可以直接測序在典型的現代DNA文庫構建技術中可能丟失的受損和變性DNA片段。

然而，由于aDNA樣本通常含有大量的環境DNA，文庫建設的進展效果有限。因此，有用的內源性aDNA序列通常占結果序列的不到1%。為了解決這一問題，研究人員通過創造與目標序列相似的DNA和RNA探針，將DNA捕獲技術應用到aDNA領域。將探針加入樣品提取物后，目標aDNA與探針結合，然后從大量環境DNA中“打撈”出來。該技術廣泛應用于古人類基因組研究。目前，超過三分之二的古人類基因組數據來自于使用“1240k”探針集獲取的數據。

DNA捕獲技術不僅大大提高了aDNA測序的效率;它還允許從樣品中恢復可用的數據，否則將太過消融，無法進行分析。

最近，aDNA研究人員更進一步，直接從“土壤”(即沉積物)中提取aDNA。該技術已應用于丹尼索瓦和白石崖洞穴的樣本，使恢復生活在數萬年前的古人類的DNA成為可能。

盡管aDNA的研究取得了豐碩的成果，但它的研究一直充滿挑戰。aDNA本身很容易受到污染，涉及aDNA的實驗極其脆弱。在過去，aDNA的提取和庫的構建幾乎完全依賴于人工操作。最近，世界上一些實驗室已經開始將一些aDNA方法與全自動移液機器人平臺相結合。但目前樣品的預處理仍需人工操作。如何將這項耗時耗力的工作集成到自動化系統中，是aDNA實驗技術的下一個挑戰。

當然，aDNA技術的應用遠遠超出了古代人類基因組。古分子研究還包括通過古代微生物信息追蹤古代流行病和共生微生物進化等重要主題;利用古代表觀遺傳信息探討古代動物與環境的相互作用利用古老的蛋白質來探索人類在很長一段時間內的進化，包括aDNA如何影響現代人的生理和健康。

aDNA是帶時間標記的遺傳信息，記錄了人類幾萬年來的進化和適應。我們現在從aDNA研究中知道，幾個重要的功能性遺傳單倍型來自古人類種群。這些基因涉及先天免疫、脂質代謝、高海拔生存能力和皮膚顏色。然而，aDNA研究發現的大多數遺傳變異的功能尚未確定。

未來，科學家可能利用最新的基因編輯技術構建aDNA動物模型，揭示許多未知的aDNA變異的功能。這將幫助我們更好地了解現代人類的生理和健康是如何受到來自我們遠古祖先的基因遺傳的影響。