作者：刘逸宸、付巧妹（分别系中科院古脊椎所特别研究助理 ， 研究员）
基因组三维结构、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 ， 也渗入我们生活的方方面面 ， 影响着当今人类的生活与健康 。 对此 ， 国际学术期刊《细胞》发布特刊 ， 专题讨论最新生物技术的前沿和发展 。 中国科学院古脊椎动物与古人类研究所（以下简称“中科院古脊椎所”）付巧妹研究员受邀领衔古DNA前沿领域 ， 针对古DNA技术的发展与未来撰写评述性文章（第一作者为中科院古脊椎所特别研究助理刘逸宸） 。 该论文于2022年7月21日在《细胞》杂志上在线发表 。
【古DNA技术的历史与未来】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 ， 研究人员利用古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 。
那么 ， 古DNA技术有什么样的发展历史和重大突破？目前的技术瓶颈和解决方案是什么？未来 ， 古DNA技术如何发展？
一网打尽——高通量测序革新古DNA领域
高通量测序 ， 又叫“二代测序” ， 是一种快速测定大量DNA序列的技术 。 在高通量测序普及之前 ， 古DNA领域只能依赖PCR技术测定少数特定DNA片段的序列 。 这种方法获取的DNA信息极其有限 ， 而且难以区分真正的古DNA和污染DNA 。 高通量测序理论上能测序样本中所有DNA分子的信息 ， 且成本逐年降低 。 即使是含量极低的古DNA ， 也能很有效地对其进行测序 。 不仅如此 ， 通过生物信息学手段（如mapDamage软件） ， 我们还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 ， 也成了领域中古DNA检测的重要标准 。
除此之外 ， 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黏性末端的情况 ， 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 。
挑战极限——DNA捕获技术的应用和发展
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 。 这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 。 一个典型的例子是去年发表在《细胞》杂志上的古代南方人群的基因组研究 。 中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 ， 付巧妹团队成功获取了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 。 这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的已灭绝古人类的DNA 。
未来可期——提升效率、拓宽视野、着眼当今人类健康
虽然古DNA领域成果丰硕 ， 但古DNA研究却一直充满了艰辛和挑战 。 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 ， 目前样品的前期处理步骤仍只能依赖人工 ， 如何把这项耗时耗力的工作整合到自动化体系中 ， 是古DNA实验技术需要攻克的下一道难关 。
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