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shRNA表达克隆

远古DNA为我们提供了了解已灭绝人种基因活性的线索

Apr 28, 2014 No Comments

图1因为能够使某些基因的活性被抑制的DNA甲基化修饰的作用,导致了尼安德特人(图左)与我们现代人的骨骼有所区别。

远古DNA研究人员正在逐渐发掘已灭绝远古人类的秘密。近两年来,远古DNA研究人员利用源自5万年前的人类化石的高质量基因组序列,已经给人类进化研究带来了革命性的改变。现在,通过对远古DNA序列进行巧妙的分析,科研人员们已经掌握了一定的证据,知道这些远古人体内哪些基因是表达的,哪些基因是不表达的。

《科学》(Science)杂志本周在线发表了一个以色列课题组完成的工作,该课题组与一个远古DNA研究小组一起,对源自一位5万年前的女性丹尼索瓦人(Denisovans, Science, 31 August 2012, p. 1028)化石,和另外一位更古老一点的女性尼安德特人(Neandertal)化石的DNA序列进行了分析,获得了这些远古人基因组的化学修饰图谱(chemical modifications),这些化学修饰信息很有可能让这些远古人体内的某些基因不表达(http://scim.ag/DGokhman)。将这份远古人表观遗传学图谱与我们现代人的表观遗传学图谱一比较就可以明显地发现,有2个基因让我们现代人与祖先的骨骼出现了明显的区别。

仅凭这一两张基因组化学修饰(此处分析的是甲基化修饰)图谱肯定还不足以代表整个人种(远古人或现代人)的特点。而且还需要进行更进一步的工作,明确这些甲基化修饰是否是导致尼安德特人与丹尼索瓦人骨骼差异的确切原因。不过英国伦敦自然历史博物馆(Natural History Museum in London)的古人类学家Chris Stringer认为,这种研究远古人基因活性的方法还是挺巧妙的。

澳大利亚西澳大学(University of Western Australia, Crawley)的基因组生物学家Ryan Lister也补充道:“该研究表明,我们除了能获得远古人的基因组序列之外,还可以获得其他的相关信息。”

图2甲基化测序。甲基化修饰的DNA碱基与未甲基化修饰的DNA碱基分解之后会得到不同的产物,这就泄露了远古DNA的秘密。

 

过去这十年是研究基因调控机制最重要的十年,我们不仅弄清楚了哪些基因表达哪些蛋白,也知道了基因如何调控生物的外表、行为和生殖过程。有一个非常重要的基因表达调控机制,那就是甲基化修饰(Methylation)作用,即将一个甲基基团(methyl side group)添加到DNA的碱基,通常是胞嘧啶(cytosine)上的修饰作用。这种甲基化修饰作用能够抑制到处捣乱的可移动DNA元件(mobile DNA)的活性,也可以让雌性动物体内两条X染色体中的一条失活。但是这种甲基化修饰作用同样也能够让其他的基因失活,比如在我们的机体已经不需要某个基因再发挥功能时就该轮到甲基化修饰作用出马了。由于DNA上的甲基基团还可以被去除掉,所以这些基因的表达活性也能够在需要的时候马上得到恢复。

后来,分子和细胞生物学家获得了多种人体组织的甲基化组学图谱(methylomes),即该组织内所有的甲基化修饰信息图谱。科学家们希望利用这些信息了解甲基化修饰作用与人类疾病和身体健康之间的关系。但是这种甲基化研究手段需要大量的DNA样品,而化石DNA通常都是达不到要求的。

Adrian Briggs最近找到了一种解决办法,能够对远古DNA进行类似的甲基化修饰研究。Briggs是德国马克普朗克人类进化研究所(Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology in Leipzig, Germany)的研究生,他在Svante Pääbo的实验室工作,我们都知道Svante Pääbo是远古DNA测序领域里的专家。这些远古DNA经历了千万年的风雨,早就降解成DNA小片段了,而且也发生了化学改变。其中的胞嘧啶往往都会转变成RNA链中常见的尿嘧啶(uracil),而我们的DNA测序仪则会把这些尿嘧啶读成胸腺嘧啶(thymine)。

Briggs等人想办法去除了这些尿嘧啶,可是最终得到的结果还是让他们感到非常困惑,因为在序列里还是存在大量的、出乎预料的胸腺嘧啶。此时他们组里的一位生物化学家提出,甲基化修饰过的胞嘧啶可能不会分解成尿嘧啶,而是会随着时间转变成胸腺嘧啶,所以在序列中会出现大量的胸腺嘧啶。于是大家一下子全都豁然开朗了。

Briggs意识到,如果要将远古人类的DNA序列与现代人的DNA序列进行对比,那么首先就得知道在远古人类的DNA序列中哪些碱基是胸腺嘧啶,现代人的DNA序列中哪些碱基是胞嘧啶。虽然其中有些位点的不同可能是因为发生了突变而导致的,但是大部分还是能够反映最初的甲基化修饰状态的。哥本哈根大学(University of Copenhagen)的发育生物学家Ludovic Orlando指出,通常,DNA降解往往会给我们出难题,可是这一次,却恰好帮了我们一个大忙。

Briggs在2010年发表了一篇文章介绍他自己的想法,不过没人去尝试过,因为这需要进行全基因组深度测序,而用化石DNA做这种实验目前还是挺有难度的。Briggs现在去了美国波士顿市一家叫做AbVitro的生物技术公司工作。不过就在去年,随着DNA测序技术的发展,Orlando等人使用类似的策略对一个4000年前的爱斯基摩人的毛发标本进行了研究,获得了这名古人的甲基化组学图谱,他们的成果也于去年的12月发表在了《基因组学研究》(Genome Research)杂志上。由于一个人的甲基化修饰情况(模式)会随着年龄发生改变,所以根据这份图谱也能够估计出这名爱斯基摩人的大概死亡年龄。

于是耶路撒冷希伯莱大学(Hebrew University of Jerusalem)的David Gokhman、Eran Meshorer和Liran Carmel三人也和Pääbo的实验室达成了合作协议,准备对丹尼索瓦人和尼安德特人的基因组进行类似的甲基化测序研究工作。之前已经对这两个古老的人种进行过全基因组深度测序,丹尼索瓦人使用的是一块指骨化石,尼安德特人则使用的是一块趾骨化石。当他们将这两份甲基化图谱与现代年轻女性骨头和其它组织的图谱进行比较之后发现,有99%都是匹配的。尤其在管家基因(housekeeping genes)方面匹配度是最高的,我们都知道管家基因是所有细胞都必需的基因,所以这些基因的调控机制在人类的进化过程中也最不容易发生改变,这也从一个侧面证明这种分析手段是科学有效的。法国巴黎巴斯德研究所(Institut Pasteur in Paris)的群体遗传学家Lluis Quintana-Murci就评价道:“这个实验结果非常可靠。”

可是在远古人和我们现代人的基因组中还是有大约2000个位点存在差异。在丹尼索瓦人和尼安德特人的基因组甲基化图谱中可以发现,在HOXD基因簇区域(该区域基因对于个体发育至关重要)有非常明显的甲基化修饰现象,即这部分基因都被抑制了,可是在我们现代人的甲基化图谱中却没有发现这种现象。有为数不多的研究发现,哺乳动物的HOXD基因被抑制之后会发生骨骼改变,比如股骨(thigh bone)末端变粗大,手和手指变大,四肢变短,肘部和膝关节变粗大等,而这种改变恰好就是尼安德特人和我们现代人之间的差异。不过Orlando也承认:“我们现在还不能武断地得出结论,认为就是这些甲基化差异导致了现代人与远古人在骨骼解剖学方面的不同。”

美国约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland)的基因组学及表观遗传学家Andrew Feinberg非常欣赏Gokhman他们的工作,不过他们也比较谨慎地认为这种方法还没有得到充分的验证,他们也不认为单单凭一两份样品,一两次工作就能够说明问题。 Feinberg等人指出,因为甲基化修饰情况会随着时间、环境、细胞类别、性别等多种因素发生变化,所以我们还需要更多、高质量的远古基因组样品,才能够得到确定的、丹尼索瓦人、尼安德特人,或者其他远古人的甲基化基因图谱。

不过很多远古DNA研究专家都非常乐观地认为,得到这些序列不在话下。Briggs也估计这项技术很快就会被部分对基因活性感兴趣的生物学家们利用起来,这些科学家想知道基因是否与野生动物被人类驯养有关,他们现在就可以用这种技术对家畜化石进行研究。Stringer总结道:“这篇论文让我们第一次意识到,我们也可以了解到迄今为止一直犹抱琵琶半遮面的远古基因组的表观遗传学状况。”

 

 

原文检索:
ELIZABETH PENNISI. (2014) Ancient DNA Holds Clues to Gene Activity in Extinct Humans. Science, 344:245-246.
YORK/编译

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