科学家用测序技术分析炎热潮湿环境中的古DNA

洛敦灰洞的凉爽气候可能会保护动物骨骼中的脱氧核糖核酸免受尤卡坦半岛高温的伤害。

来源:RICHARD A. COOKE

2009年，当塔尼亚·古铁雷斯·加西亚将40只牙源性动物的下颚装进比鞋盒还小的包装里，并把它们带到加拿大时，她非常肯定自己会失望。当时，古铁雷斯是墨西哥国立自治大学的生物学博士生，并受邀在麦克马斯特大学一个著名的古代DNA实验室呆三个月。在那里，她将与对猛犸基因组进行测序的科学家并肩工作。古铁雷斯的目标是从大约14，000到12，000年前的牙源性动物骨骼中提取DNA，并重建它们的谱系。

然而，即使在这个曾经让各种奇怪的梦想成真的实验室里，她的项目似乎也不太可能成功。在北极永久冻土中发现了猛犸象样本，在那里持续的寒冷和干燥被认为是保存古代DNA的最好方法。古铁雷斯的齿兽死于炎热潮湿的尤卡坦半岛。她甚至不确定他们的骨骼中是否保留了任何DNA。然而，这些老鼠的下颚终于带来了惊喜，并让人们看到了曙光，也就是说，古老的DNA可以回答曾经遥不可及的问题。

世界上大多数生物多样性都是从热带进化而来的。来自这些纬度的古代DNA可以解决曾经统治南美和澳大利亚的奇怪巨型动物的起源问题，并对小弗洛伊德派(在印度尼西亚被称为霍比特人)是原始人类的奇怪物种还是不完美的现代人类的争议做出回应。然而，当古铁雷斯去加拿大时，几乎所有从热带地区提取古代DNA的尝试都失败了。

负责上述麦克马斯特大学实验室的进化遗传学家亨德里克·普瓦纳尔说，DNA是一种众所周知的脆弱分子。暴露在水中或氧气中会破坏将双螺旋结合在一起的化学键。当生物体活着时，细胞可以迅速修复这种损伤。然而，死亡后，化学过程会造成严重的损伤，将DNA切割成许多微小的部分，有时长度只有几个碱基。

几十年来，科学家们一直认为唯一能找到可以分析的古代DNA的地方是在寒冷干燥的环境中。低温减缓了化学反应，抑制了吞噬细胞和暴露脆弱DNA的微生物活动。干燥可以减少水分对DNA分子键的攻击。

过去的经验证实了这些假设。从本世纪初开始，令人印象深刻和可验证的结果开始从寒冷的环境中涌入。一个团队成功地对育空地区70万年前的马基因组进行了测序，这也是迄今为止最古老的基因组。其他人已经从西伯利亚杰尼索夫洞穴的一些小指骨中恢复了新的完整人类基因组。与此同时，高调的热带研究，如《霍比特人测序》都以令人心碎的结局告终。

古铁雷斯知道这一切。因此，当麦克马斯特大学实验室的学生嘲笑古铁雷斯关于小牙齿动物下颚的计划时，古铁雷斯并不感到惊讶。这些颌骨是在20世纪70年代和80年代从尤卡坦半岛一个名叫洛敦的灰色洞穴中出土的，从那以后一直保存在墨西哥城。她知道自己有90%的机会空手回到墨西哥。然而，这些骨头有一些特点，使它们专注于10%的成功机会。

首先，古铁雷斯发现她可以打破这些脆弱的下颚，追溯到“最有可能找到古代DNA的地方”——成牙本质细胞的牙根。她也知道她的样本有优势，因为吃牙齿的动物被保存在灰洞里。如果足够深，洞穴通常比地球表面更冷，而且里面的温度趋于稳定。同时，作为一种缓冲介质，灰洞可以防止DNA被酸性土壤吞噬。

在麦克马斯特大学，古铁雷斯利用当时以聚合酶链反应为中心的主流技术扩增了DNA序列。她成功地从12个颌骨中提取了6个重叠的古代DNA片段，总共666个碱基对。通过将这些牙源性动物的序列与现有近亲的DNA进行比较，古铁雷斯能够绘制出尤卡坦半岛牙源性动物的详细谱系，并在去年夏天的《生物学快报》上发表了结果。她、波纳尔和他们的合作研究人员称这一结果是热带古代DNA样本“前所未有的成功”。

类似的结果一个接一个地让一些科学家相信，洛尔顿可能不是侥幸。尽管澳大利亚柯廷大学的古遗传学家迈克尔·邦斯(Michael Bunce)和其他人认为，可能永远也不可能获得像在热带北极地区发现的基因序列那样古老的基因序列，因为在温暖的气候下，DNA很容易分解得更快，但相对较新的热带地区的DNA可以回答足够有趣的问题。丹麦哥本哈根大学的古遗传学家汉尼斯·施罗德和他的同事们正试图从克利斯朵夫·哥伦布到达之前生活在加勒比海的一个已经灭绝的泰诺部落成员身上提取古代的DNA并进行测序。他们希望能够解释人们是如何以及何时到达加勒比海的，这是人类最后居住的地区之一。施罗德的合作者和斯坦福大学博士后玛丽亚·阿维拉希望利用16和17世纪骨骼中的古代DNA来研究非洲奴隶贸易对墨西哥人口遗传学的影响。

今天，古铁雷斯的初步分析已经过时，因为以聚合酶链反应为中心的方法已经被下一代测序技术所取代，这种技术使科学家能够分析较短的脱氧核糖核酸片段，并帮助他们消除现代序列污染。结果，她在2011年带着牙源性动物的样本回到了麦克马斯特大学。到目前为止，古铁雷斯已经使用最新技术对2000多对未受污染的碱基对进行了测序。普瓦纳尔预测最终结果将“令人印象深刻”。(宗华)

《中国科学报》(国际版，第三版，2015年8月24日)

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