Wie findet die alte DNA-Technologie „Gold in den Wellen“?

Die Rekonstruktion des vollständigen Genoms ausgestorbener Urmenschen – Neandertaler und Denisova-Menschen –, die Kartierung der Geschichte globaler Bevölkerungswanderungen und -austausche, die Freilegung der genetischen Struktur der ältesten modernen Menschen Ostasiens, der „Hirtenvölker“, die Offenlegung der Veränderungen in adaptiven Genen ostasiatischer Populationen vor und nach der letzten Eiszeit, die Rückverfolgung der Entstehung des Bevölkerungsmusters in Nord- und Südchina und die Rückverfolgung des Ursprungs der austronesischen Völker in Südchina … In den letzten zehn Jahren haben Forscher mithilfe der DNA-Technologie alte DNA genutzt, um jahrtausendelang verloren geglaubte genetische Informationen zu entdecken, sie zu entschlüsseln und so das menschliche Verständnis seines eigenen Evolutionsprozesses immer wieder auf den neuesten Stand zu bringen.

Am 21. Juli veröffentlichte Cell eine Sonderausgabe, in der die neuesten Entwicklungen in der Biotechnologie diskutiert wurden. Fu Qiaomie, eine Forscherin am Institut für Wirbeltierpaläontologie und Paläoanthropologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, und ihr Team wurden eingeladen, das Grenzgebiet der antiken DNA zu leiten und einen Übersichtsartikel über die Entwicklung und Zukunft der Technologie für antike DNA zu veröffentlichen. Der Artikel gibt einen Überblick über die Entwicklungsgeschichte und Durchbrüche der Technologie für antike DNA, erörtert die aktuellen technischen Engpässe und Lösungen sowie die zukünftige Entwicklungsrichtung und -aussichten der Technologie für antike DNA.

Hochdurchsatzsequenzierung deckt das gesamte Gebiet der alten DNA ab

Hochdurchsatzsequenzierung, auch als Sequenzierung der zweiten Generation bekannt, ist eine Technologie, mit der sich große Mengen von DNA-Sequenzen schnell bestimmen lassen. Vor der Popularisierung der Hochdurchsatzsequenzierung konnte man sich im Bereich der antiken DNA lediglich auf die PCR-Technologie verlassen, um die Sequenzen einiger weniger spezifischer DNA-Fragmente zu bestimmen.

Die mit dieser Methode gewonnenen DNA-Informationen sind äußerst begrenzt, und es ist schwierig, zwischen echter alter DNA und kontaminierter DNA zu unterscheiden. Mittels Hochdurchsatzsequenzierung lassen sich theoretisch die Informationen aller DNA-Moleküle in einer Probe sequenzieren, und die Kosten sinken von Jahr zu Jahr. Selbst alte DNA mit extrem geringem Gehalt kann sehr effektiv sequenziert werden. Fu Qiaomie erklärte. Darüber hinaus ist es durch bioinformatische Methoden auch möglich, schnell festzustellen, ob in der Probe Schäden an alter DNA vorliegen, wodurch das Ziel der Identifizierung alter DNA erreicht wird. Diese Methode ist auch zu einem wichtigen Standard für die Erkennung alter DNA im Feld geworden.

Darüber hinaus haben die Forscher verschiedene Anpassungen und Optimierungen an den experimentellen Methoden der Hochdurchsatzsequenzierung (Aufbau von DNA-Bibliotheken) vorgenommen, die auf den Eigenschaften alter DNA basieren.

Fu Qiaomie erwähnte, dass die Halb-UDG-Behandlung und die Konstruktion einer einzelsträngigen DNA-Bibliothek die beiden wichtigsten technologischen Durchbrüche seien. Mithilfe der Half-UDG-Technologie können sowohl einige DNA-Endschäden erhalten als auch die meisten Schäden an alter DNA repariert werden. Dadurch wird die Genauigkeit der Ergebnisse der Sequenzierung alter DNA verbessert, während die Eigenschaften alter DNA erhalten bleiben. Die einzelsträngige DNA-Bibliothek ist für den Fall konzipiert, dass alte DNA oft eine große Anzahl einzelsträngiger klebriger Enden enthält. Es denaturiert doppelsträngige DNA direkt in einzelsträngige DNA, um die Bibliothek aufzubauen, und sequenziert dadurch die beschädigte einzelsträngige alte DNA effektiver.

DNA-Erfassungstechnologie überschreitet Grenzen

„Obwohl sich alte DNA mithilfe der Hochdurchsatzsequenzierung relativ effektiv sequenzieren lässt, sind die meisten der sequenzierten DNA-Moleküle nutzlose Informationen, da alte DNA-Extrakte oft große Mengen kontaminierender DNA enthalten. Wirklich nützliche alte DNA-Sequenzen machen oft weniger als 1 % der Sequenzierungsdaten aus“, sagte Fu Qiaomie.

Als Reaktion darauf haben Forscher eine DNA-Erfassungstechnologie entwickelt und im Bereich der alten DNA angewendet. Durch die Entwicklung von DNA- oder RNA-Sonden „fischen“ sie die gewünschte alte DNA wie beim Angeln aus der riesigen Menge kontaminierender DNA heraus.

Diese Technologie wird derzeit in großem Umfang in der Erforschung des menschlichen Genoms eingesetzt und mehr als zwei Drittel der Daten zum menschlichen Genom stammen aus Daten, die von einer Sondengruppe namens „1240k“ erfasst wurden.

„Die DNA-Capture-Technologie verbessert nicht nur die Effizienz der Sequenzierung alter DNA erheblich, sondern kann auch aus einigen ‚kniffligen‘ Proben ausreichend Daten für die Analyse gewinnen“, sagte Fu Qiaomie.

Ein typisches Beispiel ist die Genomforschung zu alten südlichen Populationen, die das Team von Fu Qiaomie letztes Jahr in Cell veröffentlichte. Die warme und feuchte Umgebung im Süden Chinas und der dortige saure Boden sind für die Erhaltung alter DNA nicht förderlich, weshalb die Forschung zu alter DNA in dieser Region eine Zeit lang erfolglos blieb. Damals gelang es Fu Qiaomies Team mithilfe einer DNA-Erfassungstechnologie, Genominformationen von 30 alten südlichen Populationen zu erhalten und so die genetische Geschichte der Population an der Schnittstelle zwischen Ostasien und Südostasien über mehr als 10.000 Jahre hinweg aufzudecken.

In jüngster Zeit haben Forscher, die sich mit alter DNA beschäftigen, diese Grenzen noch weiter ausgelotet, indem sie sich von den Fesseln der Fossilien befreiten und alte DNA direkt aus dem „Boden“ extrahierten. Diese Technologie wurde erfolgreich in der Denisova-Höhle und der Baishiya-Höhle eingesetzt und konnte die DNA ausgestorbener Urmenschen von vor Zehntausenden von Jahren gewinnen. Der Prozess der kontinuierlichen Iteration der alten DNA-Technologie und des „Goldwaschens in den Wellen“ ist noch immer im Gange.

Zukünftig zu bewältigende Schwierigkeiten

Obwohl auf dem Gebiet der antiken DNA fruchtbare Ergebnisse erzielt wurden, war die Forschung zu dieser Thematik immer mit Schwierigkeiten und Herausforderungen verbunden.

Alte DNA selbst ist äußerst anfällig für Verunreinigungen und Experimente erfordern äußerst präzise Verfahren. In der Vergangenheit beruhten die Extraktion alter DNA und der Aufbau von Bibliotheken fast vollständig auf manuellen Vorgängen. Fu Qiaomie stellte vor, dass vor kurzem in einigen Laboren auf der ganzen Welt einige experimentelle Schritte zur Untersuchung alter DNA erfolgreich in die vollautomatische Pipettierroboterplattform integriert worden seien, was nicht nur erheblich an Arbeitskräften und Materialressourcen spare, sondern auch das durch manuelle Vorgänge entstehende Kontaminationsrisiko reduziere.

„Derzeit erfolgt die Probenvorverarbeitung noch manuell. Die Integration dieser zeit- und arbeitsintensiven Arbeit in das automatisierte System ist die nächste Hürde, die die experimentelle Technologie für alte DNA überwinden muss“, betonte Fu Qiaomie.

Darüber hinaus gehen die Anwendungen der Technologie zur Erforschung alter DNA weit über die Erforschung alter menschlicher Genome hinaus. Fu Qiaomie führte ein, dass die Rückverfolgung antiker Epidemien und der Evolution symbiotischer Mikroorganismen durch Informationen aus der DNA alter Mikroben, die Nutzung antiker epigenetischer Informationen zur Erforschung der Interaktion zwischen Tieren der Urzeit und der Umwelt sowie die Nutzung antiker Proteine ​​zur Erforschung der menschlichen Evolution in einem größeren Zeitrahmen wichtige Zweige der antiken Molekularbiologie seien. Ihrer Meinung nach besteht eine der Schwierigkeiten künftiger Forschung darin, diese Informationen effektiver zu erhalten und sie in mehreren Dimensionen zu kombinieren.

Alte DNA ist eine genetische Information mit einer Zeitskala, die die menschliche Evolution und Anpassung über Zehntausende von Jahren aus einer einzigartigen Perspektive aufzeichnet. Diese Spuren der Jahre dokumentieren nicht nur die genetische Geschichte der Menschheit, sondern beeinflussen auch weiterhin die Physiologie und Gesundheit der heutigen Bevölkerung.

Wir vermuten, dass einige wichtige funktionelle Genhaplotypen von ausgestorbenen Urmenschen stammen. Diese Gene sind an der angeborenen Immunität, dem Fettstoffwechsel, der Anpassungsfähigkeit an große Höhen, der Hautfarbe, der Anfälligkeit für schwere COVID-19-Verläufe usw. beteiligt. Darüber hinaus gibt es Genotypen im Zusammenhang mit Haar- und Zahnphänotypen, die nur in unserer ostasiatischen Bevölkerung vorkommen und deren Häufigkeit nach dem letzten glazialen Maximum ebenfalls zunahm. Es wird vermutet, dass dies mit der Anpassungsfähigkeit an die Umwelt zusammenhängt. Sagte Fu Qiaomie.

Darüber hinaus müssen die Funktionen vieler spezieller Genotypen, die bei Studien zur alten DNA entdeckt wurden, noch bestimmt werden. Fu Qiaomie glaubt, dass diese Erkenntnisse in Zukunft durch die Erstellung von Tiermodellen und deren Kombination mit der Technologie der Genom-Editierung verifiziert werden können. „Indem wir die Technologie zur Erforschung alter DNA mit hochmodernen Techniken der Molekularbiologie kombinieren, können wir die Auswirkungen der Evolutionsgeschichte auf die menschliche Gesundheit heute besser verstehen.“