作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2014-4-3 9:43:26
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古DNA研究30年纵览

 
如果人们证明DNA能长期存活是普遍现象,古生物学、进化生物学、考古学和法医学等领域将受益匪浅。
 

图片来源:Tetra Images/Alamy
 
在古DNA揭示尼安德特人的性取向或第一个美洲人的祖先之前,这里还有一头斑驴。
 
这是一种头部长有斑纹并生着驴屁股的奇特的马,最后一头斑驴死于1883年。一个世纪之后,研究人员出版了约200个斑驴核苷酸序列,这些序列取自一块有140年历史的斑驴肌肉。这些DNA碎片(来自死亡已久的生物体的遗传秘密)揭示,斑驴与山斑马截然不同。
 
更值得注意的是,从那时起,化石研究将不再是探索灭绝生命的唯一方法。美国加州大学伯克利分校遗传学家Russell Higuchi和Allan Wilson及其同事在有关斑驴的论文中提到:“如果人们证明DNA能长期存活是普遍现象,古生物学、进化生物学、考古学和法医学等领域将受益匪浅。”
 
最初的进展十分缓慢。对古DNA研究真实性的争论分化了该领域,并加深了外部质疑。但多亏实验室近乎偏执的严格,以及帮助科学家确定及排除现代DNA污染的测序技术,争论终于慢慢消失。
 
这些进步推动了古遗传学的繁荣。去年,研究人员发现了两种有记录的最古老基因:一匹埋葬在加拿大永久冻土层中约70万年前的马基因以及来自西班牙洞穴约40万年的人类近亲基因。
 
能隔离、测序和解释被时间摧毁的古DNA链的技术革新带来了这些飞跃。研究人员能从更古老、更腐朽的残余物里找到DNA,以探索早已死去的人和其他生物的秘密。现在,古DNA能从专家的清洁室转移到考古学家和人类遗传学家的实验室,在斑驴研究30年后,《自然》杂志期待一窥该领域的未来。
 
百万年基因
 
当丹麦哥本哈根大学进化生物学家Ludovic Orlando开始测序一块78万~56万年前的马腿骨DNA时,他并不太抱期望。2003年,他的同事Eske Willerslev在加拿大育空地区的永久冻土层中发现了这块骨头。然后,Willerslev将它丢到冷库里,等待技术有朝一日能解读其中的DNA。(古DNA实验室的冰柜里充满了这种“等等看”的样本。)
 
2010年的一个晚上,Willerslev打电话给Orlando说,是时候了。Orlando表示怀疑:“我在这个项目开始时怀着坚定的信念:它不可能。”测序古DNA是一场与时间的战斗。生物体死后,在酶的作用下,DNA长链会断裂成短片。低温能减缓这个过程,但最终DNA链会非常短,包含极少量信息。
 
要读出这匹马的基因,Orlando需要通过酶处理提取有用的DNA片段,并为它们进行测序准备。Orlando团队发现,准备工作遗失了大量碎片。但随着对实验过程进行微调,例如降低提取温度,研究人员获得比之前多10倍的DNA碎片,并制作了有记录以来最古老DNA的草图。
 
借助类似技术,德国莱比锡马普学会进化人类学研究所遗传学家Svante Paabo及其同事,将注意力转向一个“沉睡”在西班牙北部阿塔普埃尔卡山具有40万年历史的现代人近亲。骨骸被保存在稳定低温环境中,这放慢了DNA的分解速度。“如果你能决定古人类埋骨在哪里,你可能会选择这里。”研究负责人、该研究所分子生物学家Matthias Meyer说。
 
去年12月,该研究小组报告了这个古人类线粒体基因组的研究结果。这些序列揭示了阿塔普埃尔卡山人与丹尼索瓦人之间意想不到的关系。丹尼索瓦人是Paabo小组在俄罗斯阿尔泰山数千公里外发现的一批古老人类。Meyer和同事希望能改进技术,获得阿塔普埃尔卡山人的核基因组。“这一定有可能。”Meyer说,“直到工作完成前,我不会休息。”
 
Meyer和Paabo希望超越来自更温暖地区的古人类样本的DNA极限,例如,直立人化石——发现于亚洲的人类和尼安德特人的共同祖先。Orlando也表示,研究人员可能有新的提取工艺,从埃及木乃伊或弗洛瑞斯人等先前棘手的骨骸里提取信息。弗洛瑞斯人是发现自印尼弗洛勒斯岛山洞的至少有1.8万年历史的古人类。
 
编码幽灵
 
几年前,美国哈佛大学医学院人类遗传学家David Reich发现了一个“幽灵”。该研究小组利用现代人基因重建了欧洲历史。当时,他们发现北欧人和美洲土著间存在联系。他们认为,欧亚大陆北部现已灭绝的人种与欧洲人和后来迁徙到美洲的西伯利亚人出现混合。Reich将这类人称为幽灵人种,因为他们是通过留在基因里的“回声”被鉴别出的,而非骨头或古DNA。
 
斯坦福大学人类遗传学家Carlos Bustamante表示,幽灵人种是统计模型得出的结论,当来自化石的基因数据缺失时就需要谨慎处理。
 
有时,这些统计“幽灵”也有实体。去年,Willerslev小组发表了具有2.4万年历史的Mal’ta男孩遗骸的基因。相关结果显示,这个在西伯利亚中部发现的男孩,属于跟现代美洲土著和欧洲人都有亲缘关系的人种,这也与Reich的假设相匹配。“这是一个惊人的发现。”他说。
 
幽灵人种的线索还隐藏在古DNA中。在分析尼安德特人和丹尼索瓦人高质量基因时,Reich和加州大学伯克利分校的Montgomery Slatkin领衔的研究小组发现了一个特殊模式:今天撒哈拉以南地区的非洲人跟尼安德特人的关系比跟丹尼索瓦人的关系更近。但来自其他古老基因的证据显示,这两个古老人群与现代非洲人有相同的联系。在权衡可能性后,科学家认为他们可能发现了另一个幽灵人种。
 
谜题将被解开,研究人员推断,如果丹尼索瓦人与在100多万年前离开非洲且分离自人类、尼安德特人和丹尼索瓦人共同祖先的人种混合,那么后来的丹尼索瓦人可能继承了当今非洲人缺失的DNA序列,这解释了为何尼安德特人更接近非洲人。
 
Reich小组正在分析拥有丹尼索瓦人DNA的人类的基因特征,以便找出丹尼索瓦人何时与该神秘人种发生混合。Paabo实验室的阿塔普埃尔卡山人基因研究也可能发现了线索。
 
面向大众的古DNA
 
近年来,古遗传学研究进入了Paabo实验室等专业实验室,但几乎没有发现能产生测序全部基因的足够DNA。
 
情况正在改变。新程序意味着研究人员目前能从最为退化的样本中获得DNA,然后测序他们感兴趣的部分基因组。“我很惊讶全世界只有这么少的实验室在做这些。”德国宾根大学古遗传学家Johannes Krause说,“这不是复杂的事情。”在Paabo实验室里,Krause负责丹尼索瓦人研究。
 
渐渐地,新的研究人员正在进入该领域。Bustamante开玩笑道:“如果我能进入,那么任何人都可以。”他的研究最初集中在现代人类的祖先。而几年前,他接到一个有关木乃伊的电话。一个国际研究小组测序了冰人奥茨的基因,冰人奥茨是一具1991年发现于意大利提洛尔阿尔卑斯山的5300年前的冷冻尸体。研究人员想知道Bustamante是否能帮助他们弄清楚冰人的祖先。他们表示,奥茨与生活在撒丁岛和科西嘉岛的现代人的关系,比同欧洲中部人的关系更近,这表明,在他还活着时,欧洲人看起来与现在非常不同。
 
自那时起,Bustamante便进入古DNA世界。他的团队正在测序记录保加利亚农业出现、美国奴隶交易以及驯化狗等历史的样本。该研究小组正在开发新工具,从而使测序古DNA更便宜、更简单。“我们想要该领域更民主化。” Bustamante说。Reich实验室对农业出现等人类历史越来越感兴趣。去年,Reich参与的研究小组发表了具有1550年~5500年历史的364个欧洲样本的线粒体DNA,以鉴定欧洲新石器时代的大规模人口迁移。
 
研究人员还转向了30年前启动的问题。Orlando小组开始测序70万年前的马类,他们还关心“更年轻”的样本——斑驴。测序斑驴全部基因的努力是一个大项目的一部分,该项目旨在理解活着和灭绝的马、斑马与驴的进化史。“它显示了该领域的进步。”Orlando说。
 
(张章)
 
《中国科学报》 (2014-04-03 第3版 国际)
 
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