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RNA探針復活古DNA

日期:2013-11-07 09:08:26

研究者已經從5300年前的人類遺骸“冰人奧茨”身上提取了基因組,還將尼安德特人的DNA進行了測序,至此人們可能會認為已經能夠把古人類的整個遺傳代碼完整地排列出來了。但是,這些研究使用的樣本都是“完美的樣本”,它們基本上深藏于凍結的土壤、冰雪或寒冷的洞穴中,研究者就是從這類樣本中提取的骨骼、牙齒或者毛發。但更普遍的情況是,科學家所發現的古人類遺骸埋藏于土壤之中,這些土壤的溫暖程度足以滋生無數細菌,而這些細菌會將古人類的DNA清除,使研究者的分析工作異常艱難。幸運的是,在近日召開的美國人類遺傳學協會年會上,科學家提出一種新方法,這種方法專門用于對古人類DNA樣本進行“凈化”。

 

從古人類樣本(牙齒或者骨骼)中提取的DNA含量通常只占人類DNA總量的不到1%,并且DNA的長度非常短,就連序列也是錯亂的,而剩下的則全部都是細菌性DNA。盡管科學家可以測序這些摻和物,卻要在測序儀器前耗費大量的時間,不斷拉近鏡頭找出并排列屬于人類基因的部分。

 

此外,這種測序工作在大部分情況下非常昂貴。與之對應的是,研究者通常會準備一長段現代人類的DNA樣本,這種樣本可以大致與他們感興趣的試驗樣本相匹配。之后,他們將長段DNA樣本作為“探針”對試驗樣本進行過濾(現代人類與古人類的DNA非常相似,其相似程度足以使得DNA樣本相互吻合)。但是,這種方法依然非常昂貴,并且這種以DNA為“探針”的方法只能匹配出古人類的一部分基因組。

 

加州帕洛阿爾托市斯坦福大學的一個小組提出了一種更好的方法。Meredith Carpenter是一名博士后,他與實驗室同事Carlos Bustamante發現了一種新方法,可以合成一段與人類基因組相吻合的RNA序列。Bustamante說,這種新方法使得“凈化”工作的成本變得非常經濟,可以將人類全部的基因組都囊括進去,成為新型“探針”。現有的“探針”制造技術與之相比,就顯得極為昂貴了。

 

Bustamante的團隊估計,在他們的試驗中,每一個樣本的“凈化”成本只有50美元。而要想使用原先的技術,則必須在試驗的開始階段先花費30萬美元制造(用一種標準的方法)一個包含所有基因組的“探針”。RNA“探針”擁有一個化學基,這個化學基可以與特定的珠子相連。因此,當研究者使用RNA“探針”對樣本進行“凈化”時,他們可以將非人類的DNA抹去。最后一步則是使用一個RNA咀嚼酶將來自“探針”的RNA抹去,這樣一來整個樣本就只剩下古人類的DNA了。之后,研究者就可以將它們放到基因組測序儀器中進行測定了。

 

研究者對這種新型的過濾方法進行了測試,他們選取了數十個DNA樣本,這些樣本包括骨骼、牙齒以及毛發,有500年到3500年的歷史。測試后發現,研究者可以在相同時間內收集到較原方法多213倍的人類基因序列。此外,通過這種高效率的篩選方法,研究者還從已有的樣本中發現了新的訊息。例如,以前他們只能說一個距今2500多年的來自保加利亞的銅器時代牙齒屬于歐洲人,但現在他們能讀出更詳細的DNA序列信息,進而指出其種族本源是歐洲中南部。該團隊還能確定500多年前的秘魯木乃伊沒有歐洲血統,正如西班牙探險家所說的那樣。

 

這種新方法將“大幅度提高進行全基因測序的樣本數”,Bustamante在一次會議發言中說。該研究近日在線發表于《美國人類遺傳學雜志》上。他和同事目前正將該方法運用于古代狗DNA上,以闡明狗的馴化過程。他們還認為,對于經常處理被細菌污染的人類DNA樣本的現代法醫科學家,以及需要從樣本中去除人類DNA污染物的微生物基因組學研究人員而言,該方法遲早派得上用場。

 

該論文的合著者、哥本哈根市丹麥自然歷史博物館古DNA研究學者Eske Willerslev補充道:“我們已經嘗試過的很多其他改進方法,并不適用于退化的DNA。”

 

該方法“令人尤為興奮并非常有趣”,研究尼安德特人基因組的哈佛大學遺傳學家David Reich說。他指出,有一些尼安德特人樣本有足夠的DNA可供測序,但并不值得高昂的經濟投入,因為它們已經被細菌重度污染。“我認為,該方法能否成為運用全基因組測序手段,研究這些難度很大卻極其重要的古DNA樣本的手段仍有待觀察。但我想這在未來是可能發生的。”Reich說。

 

加拿大麥克馬斯特大學進化遺傳學家Hendrik Poinar正在專攻一種類似的方法,以增進滅絕動物DNA的價值。他說,還有一些問題需要解決,例如,這一技術的靈敏度如何。但是,對于研究古代人類和動物而非一些罕見的樣本而言,該方法將起到非常重要的作用。“這是個好東西,有助于推動古DNA研究向族群層次發展。”Poinar說。

 


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