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古DNA测序带来的突破和限制

记者 李鹏 编辑 刘昭

最近一些年来,古DNA开始成为考古学、遗传学研究中的大热门。每当发掘出远古时期的古人类和动物化石,古DNA测序都成为一些研究人员的重要备选研究方案。

(图片来自网络)

研究古人类的新钥匙

古DNA的研究历史始自1984 年,当年英国 《自然》杂志上首次报道了从19世纪末已经灭绝的一种斑马标本中抽提出了DNA。

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员付巧妹的博士导师德国马克斯·普朗克进化人类学研究所所长斯文特·帕玻是人类古DNA研究的先驱者和奠基人,1985年时他就成功从距今约2400多年的埃及木乃伊中克隆出古DNA分子, 并通过DNA杂交和测序检测出了一个克隆分子含有人类DNA重复序列。

1984-1989年, 从事古DNA研究的科学家并不多, 所采用的方法主要是利用当时的克隆技术,但是克隆的效率十分低下,可靠性常常也难以保证。

美国著名生物化学家凯利·穆利斯1985年发明的PCR技术(聚合酶链式反应)后来带来了革命性的进步。PCR的最大特点,是能将微量的DNA大幅增加,可以解决克隆效率低的问题。另外,由于PCR扩增是在体外进行, 不会出现修饰或修补这个问题。1993年,凯利·穆利斯因为这项技术与另外一位化学家迈克尔·史密斯分享了当年的诺贝尔化学奖。

(PCR技术意义重大,甚至影响了整个分子生物学的进程 图片来自网络)

在了解到PCR技术的好处之后,斯文特·帕玻等人1989年就开始应用这一技术代替常规克隆进行古DNA 的研究。上个世纪90年代前期,古DNA研究就掀起高潮,但是1994年以后, 许多科学家开始考虑古DNA的真实性问题, 并且验证出许多原来报道的古DNA其实是DNA污染的结果。

不过后来斯文特·帕玻等人对尼安德特人的研究证实了古DNA的存在,1997 年斯文特·帕玻实验室从尼安德特人中提取的线粒体DNA, 通过与现代人基因的对比,显示其与现代人的祖先相距甚远。2000年,奥夫钦尼科夫(Ovchinnikov )等人又报道了第二例来自尼安德特人的线粒体DNA, 他们的研究标本来自北高加索, 放射性测年时代是在29000年前, 该DNA序列与1997年斯文特·帕玻等报道的第一例尼安德特人的DNA序列只有3.48%的差异, 通过谱系研究表明, 这两者的遗传关系十分接近, 并在分支树上明显地与现代人分开, 而且这次实验分别在苏格兰格拉斯哥大学和瑞典斯德哥尔摩大学同时进行, 得到了相同的结果。这项成果不仅在人类起源上具有重大意义, 更重要的是它证明了古DNA存在的可靠性。

此后,随着古DNA技术的不断完善,越来越多的考古学、古生物学等研究领域的研究人员开始应用古DNA技术,其开始成为研究远古人类的新钥匙。

(尼安德特人与现代人类骨骼比较,左边深色的为尼安德特人,右边为现代人类 供图 付巧妹)

古DNA测序的障碍和难题

古DNA的提取并不是一件容易的事情。在自然条件下,古生物DNA完好地保存下来并不容易。DNA储存在细胞核内,生物体在死亡过程中,细胞就会逐渐发生自溶,随着大量酶类如蛋白酶、DNA酶等的释放,细胞的DNA很快会被降解。另外,在高温和潮湿的条件下,DNA自身也容易发生水解、断裂。即便是还有部分细胞没来得及自溶或者水解、断裂,但是天长日久,其它微生物就会进驻组织或细胞,它们就像寄居虫一样,在那里吃喝拉撒、生老病死,所产生的酶类也会把原细胞内的DNA破坏掉;因此,一般死亡的动物和人的遗体,DNA很难完整保存下来。

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员吴秀杰对北京科技报记者表示,付巧妹也曾经尝试从生存在距今10.5万年至12.5万年之间的“许昌人”化石中提取DNA,但是没有成功。

“‘许昌人’遗址属于河湖相沉积,也就是在河流或者湖泊环境中形成的沉积,在这种潮湿的环境中,古人类和其它动物的DNA都很难保存下来。” 吴秀杰说。

就是得到保存完好的古生物DNA,实验室污染也是一个问题。德国马克斯·普朗克进化人类学研究所古进化遗传学家斯文特·帕玻教授说,为了得到可靠的古DNA样本,对分析的样本就必须在极其清洁的环境中进行,从而避免实验室中引入DNA的污染。

付巧妹表示,运用古DNA技术需要非常谨慎地判断和细致地操作,如何分辨并尽量避免污染是非常重要的步骤。在获取古DNA时,她往往选择在遗骨内部、受环境影响较小的部分提取DNA,实验操作也需要在超净室、超净台,以及其他消除表面污染的环境下进行。另外,由于全部来自母亲遗传的线粒体比来自父母遗传配对的常染色体数量多且容易抓取,因此常用来评估污染情况。

近些年来,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的实验室还对包括来自丁村、许家窑、奇和洞等重要古人类遗址的动物化石做过DNA提取尝试,但大多不成功。

幸运的是,付巧妹研究员和她的研究团队在田园洞人上取得了突破性的进展,这对我国以后进行这类研究具有重要的参考价值。

(古DNA测序技术开始成为研究远古人类的新钥匙 图片来自网络)

让古DNA技术推动中国古人类研究

尽管古DNA技术还在不断发展和完善之中,当前它的确已经成为了研究古人类演化的重要手段。2009年5月,中国科学院与德国马普学会“人类演化与科技考古联合实验室”在中科院古脊椎动物与古人类研究所挂牌成立以后,古DNA技术就在中国古人类研究中开始发挥重要作用。

付巧妹指出,核基因组研究表明,人类祖先向世界各地扩散的过程是一个基因交流而非简单的不同人种取代的过程。通过对丹尼索瓦人、尼安德特人及阿尔泰尼安德特人与现代人遗传信息的比对研究,付巧妹总结了古人类对现代人的影响,具体体现在:尼安德特人对非洲以外的欧亚大陆人群构成广泛影响;阿尔泰尼人的影响稍高于欧洲尼安德特人;丹尼索瓦人对大洋洲人群产生了影响;另外,来自基因方面的一些分析指标表明,就高原适应性而言,藏人与丹尼索瓦人存在一定联系。

现在,虽然欧洲和西伯利亚地区都有一些古人类样本基因组被测序,但是在东亚,尤其是中国地区,被测序的古人类基因组样本非常少,这与中国地区发现的丰富的早期现代人考古材料形成鲜明对比。因此,未来中国境内的远古人类及与其他地区古人类、及现代人类的基因比较都是付巧妹团队的研究重点。

斯文特·帕玻认为,中国境内的一些人类化石中,应该含有足以提取并用于分析的DNA。根据他多年的研究经验,他认为,一般而言,低于20万年或者10万年的人类化石中很可能存在DNA。在中国,虽然元谋人、蓝田人、北京人等这些远古人类不属于此列,但是20万年以后的人类化石中,其DNA仍然可以帮助我们了解中国人类进化的历程。

本文来自:中国数字科技馆
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