新一代测序技术开辟古基因研究新竞技场

通过在西伯利亚乌斯季姆地区发现的这条45000年前的股骨，研究人员对最古老的人类基因进行了测序。资料来源:ALEXANDER MAKLAKOV

2012年，当凯利·哈尔金斯的博士研究“古代结核病”陷入僵局时，她开始向更广泛的学术团体寻求帮助。她离开了美国亚利桑那州立大学的实验室，前往德国图宾根大学进行为期四个月的访问。在学校的古遗传学家约翰内斯·克劳斯的实验室里，她听从了老师的建议:“像海绵一样做一名研究者。”她学会了如何使用复杂的下一代DNA测序技术来检测古代人类组织样本。

"后来我回到美国，把这项技术教给了所有亚利桑那州立大学的研究生."她说。这种精确的、有百年历史的微生物测序技术使她有了一个惊人的发现:新大陆(即南美洲、北美洲及其附近岛屿)的古代结核病可能起源于海洋哺乳动物。

哈尔金斯的经历与古遗传学领域的先驱斯万特·帕珀相似。20世纪80年代初，作为一名在瑞典的研究生，帕波希望分析古代木乃伊的DNA，以发现现代埃及人和古代法老是否有密切的关系。但是他担心他的导师会认为这项研究是徒劳的。所以他只在晚上和周末做这项研究。"这是我真正的医生工作之外的副业，我一直在秘密地做这件事."帕波说，“我是唯一的一个。”

测序革命

然而，Paabo和这一领域的其他一些先驱在研究过程中认识到，他们正在进行一场DNA测序革命，将DNA测序应用于随着时间的推移而被破坏的古代人类组织。他们取得了出乎所有人意料的结果，最终追踪了尼安德特人和其他古代人类的整个基因组序列，并绘制了人类进化的路线图。研究人员还追踪了古代动物的基因组序列，例如70万年前至今最古老的马。然而，提取和分析退化的DNA分子是非常困难的。多年来，这项技术仅限于少数几个引人注目的实验室。

现在，情况变了。随着测序和样品分析技术的改进，古人类学领域以外的研究人员已经认识到，古DNA可以告诉他们大量的线索。目前，这种方法已经应用于各种研究，从欧洲的人口变化到植物和病原体如何应对气候变化。"我们现在看到了相关研究的集中爆发."帕博说，“古代DNA即将成为一种标准工具...许多研究项目不可或缺的一部分...就像碳年代测定一样。”

“这是一场革命。”克劳斯持有同样的观点。他最近从图宾根搬到了耶拿，并共同主持了马克斯·普朗克研究所的新人类历史科学研究中心。“现在，每个人都可以使用这项技术。你可以与小型实验室合作出版高影响力的出版物。你不需要任何复杂的设备，你只需要知道如何去做。现在越来越多的人知道如何去做。”

在20世纪80年代，在第一个古代DNA成功测序之后，这个领域一直被样本污染所困扰，因为古代DNA将被现代细菌或技术人员手指的遗传物质所污染。最初，研究人员依靠聚合酶链式反应(聚合酶链反应)来扩增或测序存在于古代样本中的微小DNA片段，但聚合酶链反应会优先扩增更长的分子，这更可能来自现代污染。例如，大量来自恐龙、美洲原住民和琥珀中昆虫的DNA结果被污染，帕博甚至说他几乎放弃了对古代人类样本的研究。

然而，随着下一代测序技术的不断发展，研究人员可以同时测序数千万个DNA片段，有时整个基因组序列可以在一天内被检测到。这种高通量测序方法不仅加快了测序速度，还降低了成本，尽管装备一个古老的DNA测序设备仍然很昂贵。下一代测序技术不需要依赖于聚合酶链反应重建分子。新的测序方法可以分析该序列，从而可以识别出“传奇”的古代DNA指纹，这可能是基于某些核苷酸的优先降解。缺乏这种模式的序列可能是现代污染，可以被识别和丢弃。"事实上，污染问题仍然需要考虑."“但是这种担心已经减少了很多，”哈尔金斯说。

所有这些进步，加上新的样品预处理方法，可以最大限度地利用化石中的任何DNA。" 15年前，我从未想过我能像现代人一样对已经灭绝的早期智人进行排序."Paabo说，他的实验室在2010年使用了下一代测序技术来检测尼安德特人的完整核基因组序列，并在2012年被广泛报道。

黄金时代

随着越来越多的实验室能够探索古代DNA，他们逐渐将这项技术应用到许多新的问题上。这些后来者“可以做一些我以前从未梦想过的事情”，比如测试数百万人的基因组。加拿大麦克马斯特大学的进化遗传学家亨德里克·普瓦纳尔说:“我们正处于古代DNA分析的黄金时代。”

根据汤森路透科学网站的统计，越来越多的文章在其标题、摘要或关键词中包含“古代DNA”一词。相关文章的数量从1995年的30篇增加到2014年的275篇。其中，约有14项研究成果深入报道了早期智人的研究成果，引用率特别高。汤森路透分析师称之为“研究前沿”。这些文章在2013年大量出现，标志着一个基于相对新颖的文学的新领域的兴起。

尽管古代DNA分析已经变得越来越强大和标准化，研究人员仍然在寻找新的地方进行古代基因序列检测。储存在密集人耳骨中的脱氧核糖核酸出人意料地完好无损，牙齿上的牙斑也是如此，这为了解古代人的饮食和肠道菌群开辟了一个新的领域。其他研究人员正在对在古代土壤或冰中发现的DNA进行测序，以重建历史生态系统。其他研究人员正在探索如何从热带雨林中发现的样本中提取古代DNA，那里湿热的气候会破坏有机分子。其他研究人员正在观察这一领域的研究前景，并分析古代蛋白质测序的下一个突破性技术。

然而，目前，古遗传学仍然占据着主导地位，甚至引起了其他学科研究者的广泛关注。“我对古代DNA本身不感兴趣。我主要对仍然影响现代人生活的疾病感兴趣。”路易斯安那州巴吞鲁日国家麻风病项目中心的微生物学家和访问学者普什彭德拉·辛格说。但是他和时任瑞士联邦理工学院博士后导师的斯图尔特·科尔(Stewart Cole)想知道为什么今天欧洲患麻风病的人数远低于1000年前。是不是因为麻风杆菌的毒性随着时间的推移而减弱了？

为了了解原因，辛格还参观了图宾根大学，在克劳斯的实验室里研究古代DNA研究技术。最后，该团队对五个中世纪样本进行了测序，其中包括一种DNA异常完整的微生物。在与科尔、克劳斯和其他同事合作的过程中，他发现中世纪麻风病的基因序列与现在大致相同，而其他因素，如与其他疾病的共同感染或保护性突变的进化，可能有助于解释欧洲麻风病感染率的下降。

其他实验室也在探索从古代弥诺斯人和古代迈锡尼人之间的关系到马铃薯流行病家族谱系的各种问题。"现在，我每周都会接到研究人员的电话，希望能给他们一些建议."克劳斯说。

竞争能力

与此同时，由于大量的资金，一些精英实验室在这一领域仍然遥遥领先。正如克劳斯所描述的，这些“巨人”正在研究新技术来解决更复杂的问题。"我们的战略是探索这些难题，并站在科学技术的前沿。"Paabo说，他的团队面临的挑战是在未来五年内对至少100个可追溯到3万多年前的古代人类基因进行测序。“我们称之为‘100个古代人类基因’项目。”他说。

具有如此悠久历史的古代样本序列通常需要重复检测20至30次，甚至40次以上，每次测序的成本需要2000美元或更多，以增加测序结果的可靠性。"现在，要做好这些事情，成本仍然非常昂贵."加州大学伯克利分校的人类遗传学家拉斯姆斯·尼尔森说。

同样，古老的基因污染问题依然存在。然而，对于像哈尔金斯这样的一代科学家来说，他们已经面临着各种各样的问题，包括激烈的竞争，伴随着这个领域的迅速崛起。例如，目前世界上至少有五个实验室正在对猛犸基因进行测序，青铜时代的古代人类基因也是如此克劳斯说。

然而，哈尔金斯说，在这个领域还有许多具有挑战性的科学问题需要迫切解决。“我们可以研究人群水平的问题和免疫学相关的问题。简而言之，除了这一个，总还有另一个选择。”她说。“这真是一个伟大的领域。”(李冯公主)

《中国科学报》(国际版，第三版，2015年8月27日)

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