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  • 新一代测序技术开辟古基因研究新竞技场

    来源:www.shuoshisheng.net 发布时间:2020-01-11

    作者:冯李飞资料来源:中国科学新闻,发布日期:2015/8/27 8333333:333

    选择名称:萧中

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    "老骨头"新生命

    新一代测序技术打开古近系研究的新舞台

    研究人员已经通过在西伯利亚乌斯季姆地区发现的这一45,000年的股骨对最古老的人类基因进行了测序 图片来源:ALEXANDER MAKLAKOV

    Kelly哈尔金斯在她的博士研究“古代结核病”于2012年陷入僵局后,开始寻求更广泛学术界的帮助 她离开美国亚利桑那州立大学(ASU)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基因测序技术来检测古代人类组织样本

    “后来我回到美国,向所有亚利桑那州立大学的研究生教授这项技术 ”她说 这种精确的、长达一个世纪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)的古代结核病可能源自海洋哺乳动物。

    哈尔金斯的经验与古遗传学领域的先驱斯万特帕珀相似。 20世纪80年代初,作为瑞典的一名研究生,帕博希望分析古代木乃伊的基因,以发现现代埃及人和古代法老是否有密切的关系。 然而,他担心他的导师可能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。 “这是我在副业之外的‘真正’医生的工作,我一直在偷偷摸摸 ”帕博说,“我是唯一一个 “

    测序革命

    但是帕博和该领域的其他一些先驱在他们的研究过程中意识到,他们正在进行一场基因测序革命,将基因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成果,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,并绘制了人类进化路线图。 研究人员还追踪了古代动物的基因组序列,比如70万年前迄今为止最古老的马。 然而,提取和分析退化的脱氧核糖核酸分子是非常困难的。多年来,这项技术一直局限于少数几个引人注目的实验室。

    现在,情况已经改变了 随着测序和样品分析技术的进步,古人类学领域之外的研究人员已经认识到古脱氧核糖核酸可以告诉他们很多线索。目前,这种方法已经应用于从欧洲人口变化到植物和病原体如何应对气候变化的各种研究。 “我们现在看到了相关研究的集中爆发 帕博说,“古代脱氧核糖核酸即将成为一种标准工具。”.许多研究项目的组成部分.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耶拿,并共同主持马克斯普朗克研究所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。您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,你只需要知道怎么做。 现在越来越多的人知道如何去做。 “

    在20世纪80年代,在第一批古代脱氧核糖核酸成功测序后,这个领域受到样本污染的困扰,因为古代脱氧核糖核酸将被现代细菌或技术人员手指上的遗传物质污染。 最初,研究人员依靠聚合酶链式反应来扩增或测序古代样本中存在的微小的脱氧核糖核酸片段,但聚合酶链式反应会优先扩增更长的分子,这些分子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脱氧核糖核酸结果被污染,帕博甚至说,他为此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,研究人员现在可以同时测序数千万个脱氧核糖核酸片段,有时整个基因组序列可以在一天内检测出来。 这种高通量测序方法不仅加快了测序速度,而且降低了成本,尽管装备一个古老的脱氧核糖核酸测序设备仍然很昂贵。 下一代测序技术不需要依靠聚合酶链反应重建分子 新的测序方法可以分析序列,从而可以识别“传奇”的古代脱氧核糖核酸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,可以识别和丢弃。 “事实上,污染问题仍然需要考虑 ”哈尔金斯说,“但是这种担心已经减少了很多。 “

    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脱氧核糖核酸。 “十五年前,我从未想过我能像现代人一样给灭绝的早期智人排序 帕博说,他的实验室在2010年使用下一代测序技术检测了尼安德特人的完整核基因组序列,并在2012年得到广泛报道。

    黄金时代

    随着越来越多的实验室能够探索古老的脱氧核糖核酸,他们逐渐将这项技术应用于许多新问题 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计划。 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:“我们正处于古代基因分析的黄金时代。” "

    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“古脱氧核糖核酸(古脱氧核糖核酸)”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年大量涌现,标志着一个以相对新颖的文学为基础的新领域的兴起。

    尽管古代的基因分析变得越来越强大和标准化,研究人员仍然在寻找古代基因序列检测的新地方 储存在密集耳骨中的脱氧核糖核酸惊人地完好无损,牙齿上的牙斑也是如此,这为理解古代人的饮食和肠道菌群开辟了一个新的舞台。 其他研究人员正在对古代土壤或冰中发现的脱氧核糖核酸进行测序,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老的脱氧核糖核酸,那里炎热潮湿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技术可能是什么。

    然而,目前古遗传学仍然占据主导地位,甚至吸引了其他大跨度学科研究者的注意。 “我对古代基因本身没有兴趣。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 但是他和斯图尔特科尔,当时是瑞士联邦理工学院的博士后导师,想知道为什么今天欧洲患麻风病的人数远低于1000年前。 是因为麻风分枝杆菌的毒性随着时间的发展而减弱吗?

    为了理解原因,辛格还参观了图宾根大学,在克劳斯的实验室里研究古代的脱氧核糖核酸研究技术。 最后,该小组对五个中世纪样本进行了测序,包括一种具有异常完整的脱氧核糖核酸的微生物。 在与科尔、克劳斯等同事的合作过程中,他发现中世纪麻风病的基因序列与现在基本相同,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和古代迈锡尼人之间的关系到马铃薯流行病的家族谱系等问题 “现在,我每周都接到研究人员的电话,希望能给他们一些建议 ”克劳斯说

    竞争力

    与此同时,由于资金雄厚,一些精英实验室在这一领域仍遥遥领先。 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,走在科技的前沿 帕博说,他对他的团队的挑战是在未来五年中对至少100个可以追溯到三万多年前的古代人类基因进行测序。 “我们称之为‘100古代人类基因’项目 ”他说

    可以追溯到如此长时间的古代样本序列经常需要重复检测20到30次,甚至40次,每次测序的成本需要2000美元或更多,以提高测序结果的可靠性 “现在,要把这些事情做好,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仍然存在 然而,对于像哈尔金斯这样的一代科学家来说,他们已经面临着伴随该领域迅速崛起的各种问题,包括激烈的竞争。 “例如,世界上至少有五个实验室正在对猛犸象基因进行测序,青铜时代的古代人类基因也是如此 ”克劳斯说

    但是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。 “我们可以研究人群层面的问题和免疫学相关的问题 简而言之,除了这个选择,总有另一个选择。 ”她说 “这真是一个伟大的领域 ”(冯李飞)

    《中国科学报》 (2015-08-27第三版国际)

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