科普时报记者 陈杰
人类的演化有太多不解之谜，古DNA则是解开谜团的关键钥匙。通过古DNA，科研人员能够直接观察到古代个体的遗传成分和基因的混杂模式，并用于比较过去人群与现在人群之间在谱系关系上的独特信息，从而揭示人类演化过程中的细节。
重建已灭绝古人类——尼安德特人和丹尼索瓦人的全基因组、绘制全球人群迁徙交流历史、挖掘最古老东亚现代人“田园人”的遗传结构、揭示东亚人群末次盛冰期前后适应性基因的变化、追溯中国南北方人群格局的形成、溯源南岛语系人群的中国南方起源……“在过去十余年里，科研人员利用古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，不断刷新我们对人类历史的认知。”中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员付巧妹说，虽然古DNA领域成果丰硕，但研究一直充满了艰辛和挑战。
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7月21日，付巧妹应《细胞》杂志特刊邀请，领衔古DNA前沿领域针对古DNA技术发展与未来发表评述性论文，重点探讨了当前古DNA技术存在的瓶颈和解决方案，并进一步展望了未来古DNA技术的发展方向与前景。
工作中的付巧妹研究员 中科院古脊椎所供图
“二代技术”革新古DNA测序
DNA研究，测序技术对研究成果产生最直接的影响，古DNA领域也不例外。
近些年，随着高通量测序技术的成熟，古DNA领域只能依赖PCR技术测定少数特定DNA片段序列的历史也终于逝去。
“PCR技术获取的DNA信息极其有限，而且难以区分真正的内源古DNA和污染DNA。”付巧妹说，被冠以“二代测序技术”称呼的高通量测序，是一种快速测定大量DNA序列的技术，理论上能测序样本中所有DNA分子的信息，即使是含量极低的古DNA也能被很有效地进行测序。
值得一提的是，高通量测序技术的成本还在逐年降低。
付巧妹介绍说，基于高通量测序技术，再通过生物信息学手段，科研人员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。“这一方法，也成为该领域中古DNA检测的重要标准。”
此外，研究人员还根据古DNA的特点，对高通量测序的实验方法（DNA文库构建）进行了多种调整与优化。其中，half-UDG处理和单链DNA文库的构建是最重要的两项技术突破。Half-UDG技术既能保留部分DNA末端损伤，又能修复大部分古DNA损伤，从而在保留古DNA特征的同时，提高古DNA测序结果的准确性。单链DNA文库则是针对古DNA中常常存在大量单链粘性末端的情况，直接将双链DNA变性成单链DNA构建文库，从而更有效地测序受损的单链古DNA。
DNA捕获技术挑战极限
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，研究人员在古DNA领域研发应用了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。”付巧妹说，该项技术广泛应用于人类古基因组研究中，目前超过2/3的人类古基因组数据来自于一个叫“1240k”的探针组的捕获数据。
DNA捕获技术不仅使得对古DNA的测序效率大大提高，还能有效从一些“棘手”的样本中得到足够的数据用以分析，去年付巧妹团队发表在《细胞》杂志上的古代南方人群的基因组研究就是一个典型的例子。付巧妹说，我国南方温暖潮湿的环境和当地的酸性土壤都不利于古DNA的保存，使得这片区域的古DNA研究一度处于空白状态。“利用DNA捕获技术，我们的科研团队成功获取了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。目前，该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已灭绝古人类的DNA。
古DNA能着眼当今人类健康
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都依赖人工操作。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，不仅极大节省了人力和物力，还减少了人工操作引入污染的风险。然而，目前样本的前处理步骤仍只能依赖人工。付巧妹说，如何把这项耗时耗力的工作整合到自动化体系中，将是古DNA实验技术的需要攻克的下一道难关。
当前，DNA三维结构、类器官技术、微生物组学研究、大脑单细胞测序、癌症疫苗……突飞猛进的生物技术不仅推动了科学研究的发展，也渗入到人们生活的方方面面。那么，古DNA技术未来将如何发展和应用？
付巧妹说，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。“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，它从独特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。付巧妹介绍说，人类一些重要功能基因单倍型就推测来自于已灭绝古人类，这些基因涉及到先天免疫、脂代谢、高海拔适应性、肤色、新冠重症易感性等。还有关于东亚人群特有的与头发和牙齿表型相关的基因型，也是在末次盛冰期之后频率升高，推测与环境适应性相关。
付巧妹强调，目前还有很多古DNA研究发现的特殊基因型的功能还未能确定。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。“结合古DNA技术与现代前沿分子生物学技术，我们将能更清晰地理解演化史对当今人类健康的影响。”
2010年以来古DNA技术发展的重要里程碑 中科院古脊椎所供图
