2022 年诺贝尔生理学或医学奖“古代 DNA 分析”是什么？

2023/02/15

2022 年诺贝尔生理学或医学奖“古代 DNA 分析”

？

——弥补连接过去和现在的缺失环节的方法——

用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因

#少子老龄化

什么是古代 DNA 分析？

2022 年诺贝尔生理学或医学奖授予了来自瑞典和德国马克斯·普朗克研究所的 Svante Pääbo 博士。通过基因组比较，帕博博士揭示了已灭绝的尼安德特人和丹尼索瓦人的一些遗传信息仍然存在于现代人类的基因组中。这震惊了世界，表明现代人类（智人）和古人类可能已经杂交。这项研究也向世界介绍了古基因组学这个新的学术领域。通过从世界各地不同时代的生物遗骸中提取、比较和分析 DNA，现在可以根据遗传信息来研究古代人类的相互作用和运动，而这些是仅从废墟和骨头的形状无法理解的。诺贝尔奖因其理解人类进化及其结果的新方法而获得。

对于人类从哪里来以及他们如何进化成我们今天所知道的人类的问题进行了各种研究。我们结合体质人类学、考古学、古生物学、灵长类动物学、语言学、地质学和气候学，探索了有文字记录之前的人类历史（史前史）的奥秘。自 20 世纪 90 年代以来，随着分子生物学技术的进步，这种情况发生了巨大的变化。 PCR（聚合酶链反应）等研究方法可扩增少量 DNA，DNA 测序可读取遗传信息，可用于了解过去生活的生物体和灭绝物种的信息。帕博博士是彻底改变人类历史研究的先驱之一。这次，我们采访了在生物过程研究部工作、专门从事基因组科学的石谷浩司，询问了他的研究细节。

通过古代 DNA 分析探寻人类的奥秘

　有些人可能认为通过分析 DNA 可以了解任何事情。然而，远古生物在死后一段时间后残留的DNA量本来就很少，无法像我们这样活着的人类的DNA一样进行分析。

线粒体DNA（以下简称mtDNA）已广泛应用于古代DNA分析。包括人类在内的动物所拥有的DNA分为存在于细胞核中的核DNA和存在于线粒体（细胞器）中的线粒体DNA。线粒体DNA具有三个主要特征。碱基取代发生的速度比核DNA快，不存在重组，并且是母系遗传，最重要的是，每个细胞的DNA拷贝数很大。每个人都有相同的mtDNA，其基因组仅占整个基因组的00005%，但从组织中收集到的DNA拷贝数比核DNA的拷贝数要多，这使得在死后很长时间内分析活体的遗骸变得更加容易。

　1997年，Pääbo博士从尼安德特人的肱骨中提取了DNA，并确定了部分线粒体DNA序列。这是世界上第一个破译已灭绝人类物种基因组的伟大成就。结果表明，现代人类并没有继承尼安德特人的线粒体DNA。然而，仅凭这一点并不能证明尼安德特人和现代人类之间不存在杂交。这是因为mtDNA仅通过卵细胞通过母系传递，因此如果父母没有女儿（只有儿子），则不会传递给后续的后代。为了更准确地研究古代人类的相互作用和迁徙，有必要检查核DNA，它起源于父亲和母亲，并遗传给女儿和儿子。

在那里，帕博博士开始研究尼安德特人的核 DNA。他们花了十多年的时间从废墟中寻找骨骼样本，提取核DNA并对其进行解码。 2010年，研究人员完成了整个尼安德特人基因组约90%的破译，并将其与来自欧洲、非洲、巴布亚新几内亚和中国的现代人类的基因组序列进行了比较，发现了现代人类与尼安德特人过去曾进行过杂交的生物学证据。

分子生物学和研究方法的发展

　Pääbo 博士的研究得到了分子生物学及其研究方法的发展的支持。

　首先，从木乃伊和人骨等生物遗骸中收集的内源DNA数量非常少，因此我们需要一种方法将其增加到可以分析的数量。 PCR方法在20世纪90年代开始流行，极大地提高了DNA扩增的效率。理论上，PCR方法可以大量复制单条DNA，使其成为研究从古代文物中获得的稀有DNA的有力工具。

　下一代测序仪、读取和分析 DNA 碱基序列的设备的出现，也极大地促进了 Pääbo 博士的核 DNA 解码。与传统设备不同，该测序仪可以一次分析大量短序列，使其非常适合分析大部分由短片段序列组成的古代 DNA。 Pääbo博士利用当时刚刚开发出来的下一代测序仪，抢先进行了他的研究。

此外，在进行研究时，Pääbo 博士很快意识到 DNA 污染的危险。作为古基因组学研究对象的生物体遗骸长期保留在地下，因此它们可能受到其他生物体（包括细菌）的 DNA 污染。当然，即使在研究过程中，在发掘、测量、实验等过程中，也有可能混入其他研究材料的DNA、现代人类的DNA等。此外，由于PCR方法极其敏感，即使是研究人员等的极少量的皮肤或汗水，也可能无法正确分析目标物种或个体的DNA。一些研究人员在没有意识到这一点的情况下发表了研究论文，后来发现它们受到了外来物质的污染，导致人们对该研究领域失去了信任。随着时间的推移，即使是顶级学术期刊也开始施加严格的发表条件，要求进行洁净室实验和评估 DNA 污染必须满足某些标准。