“泥土”里提取DNA,科学家重塑远古时代生命世界( 二 )


2020年 , 中国科学院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹团队运用这一方法 , 从青藏高原白石崖溶洞10万年前至4.5万年前的数个地层沉积物里获取了丹尼索瓦人的线粒体DNA , 这是首次从丹尼索瓦洞以外的地点发现丹尼索瓦人的DNA , 证实这一灭绝古人类在晚更新世时期曾长期生存在青藏高原 。 有趣的是 , 线粒体DNA分析显示他们与丹尼索瓦洞的晚期丹尼索瓦人有最紧密的母系遗传联系 , 为进一步理解丹尼索瓦人的迁徙、演化和环境适应历史提供了重要依据 。
“泥土”里提取DNA,科学家重塑远古时代生命世界
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2021年取得获取古核DNA巨大突破
不过 , 线粒体DNA能够提供的遗传信息非常有限 , 仅可追溯人类母系遗传的历史 , 并不足以反映更为复杂的祖源成分 。 科学家们仍在努力探索从沉积物捕获携有更为丰富遗传信息的核DNA , 终于在2021年有了重要突破 。
核DNA和线粒体DNA在结构、功能和保存上都有很大的差异 。 拿人体细胞来说 , 构成人类基因组的几乎所有DNA都存在于细胞核里 , 核DNA由近30亿个碱基对组成 , 每经过一次换代便发生一次重组 , 因此同时包含着父系和母系遗传信息 。 线粒体DNA则是由16569个碱基组成的环状DNA , 在细胞核外大量存在 , 不过它们仅在母系遗传且不经过遗传重组 。 相比来看 , 线粒体DNA片段较小 , 受酶解及外界因素作用位点少 , 降解速度相对较慢;核DNA分子相对较大 , 降解速度快 , 因此核DNA片段提取的难度更大 。
令人惊喜的是 , 维也纳大学和哥本哈根大学的科学家们用鸟枪法测序 , 成功从洞穴沉积物里提取到古代哺乳动物和人类的核DNA 。 2021年4月 , 哥本哈根大学维勒斯列夫等直接从墨西哥北部一个洞穴距今1.6万至1.4万年的沉积物样本里 , 获取古代黑熊和已灭绝的巨型短面熊的低覆盖度核基因组 , 这是从沉积物里首次获得核DNA , 得以揭示熊科动物的种群分化及美洲黑熊的起源与迁徙历史 。 2021年8月 , 维也纳大学佩雷·格拉伯特等从美国佐治亚州一个洞穴距今2.5万年的沉积物样本中提取到携有尼安德特人基因成分的古欧亚人、已灭绝狼和野牛的核基因组 , 并揭示这三个物种晚更新世时期的遗传历史 。
不过 , 最重要的一项进展还是马蒂亚斯·迈耶等对沉积物中捕获核DNA的方法上的巨大突破 , 他们开发了一组针对人类基因组中160万个可能的变异位点进行杂交捕获的探针 , 从西班牙一个洞穴沉积物里成功捕获到多个尼安德特人的核DNA 。 通过与其他地点尼安德特人基因组的比较分析 , 研究发现他们来自不同的遗传谱系 , 最深处约11.3万年前的尼安德特人与欧洲早期尼安德特人关系密切 , 而其他地层约10万年前的尼安德特人却与欧亚西部(包括欧洲和高加索地区)晚期尼安德特人有更近的遗传联系 , 结果表明大约10万年前在西班牙北部发生了尼安德特人群的更替 , 而在晚更新世早期 , 可能因为末次冰期环境和气候条件的变化 , 曾出现过两次明显的尼安德特人向外扩散的事件 。
这三项最新成果标志着沉积物古DNA研究的跨越式发展 , 它们被共同列入《科学》杂志“2021年度十大科学突破” , 似乎也意味着沉积物古DNA作为新的研究方向的正式成型 , 得以使古DNA研究真正摆脱生物骨骸或化石材料的限制 , 从此使世界各地遗址轻易可得的沉积物成为最常规而无限量的古DNA研究材料以至古生物基因组的来源 , 为远古世界的探索开启新的征程 。

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