Loltun灰?guī)r洞涼爽的氣候可能保護(hù)動物骨頭中的DNA免受尤卡坦半島高溫的侵襲。
圖片來源:RICHARD A. COOKE
當(dāng)2009年Tania Gutiérrez García將40塊噬齒類動物的頜骨打包放入比鞋盒還小的包裹并帶往加拿大時(shí),她非常確信自己將失望透頂。當(dāng)時(shí),Gutiérrez是墨西哥國立自治大學(xué)生物學(xué)專業(yè)的博士生,收到在麥克馬斯特大學(xué)一個(gè)著名古DNA實(shí)驗(yàn)室待上3個(gè)月的邀請。在那里,她會和當(dāng)時(shí)正在測序猛犸象基因組的科學(xué)家并肩工作。Gutiérrez的目標(biāo)是從約1.4萬年前~1.2萬年前的噬齒類動物骨頭中提取DNA,并且由此重建它們的系譜圖。
不過,即便是在這個(gè)曾經(jīng)讓各種稀奇夢想得以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)室,她的項(xiàng)目看上去也不太可能成功。猛犸象的樣本曾在北極永久凍土中被發(fā)現(xiàn),而那里持續(xù)的寒冷、干燥條件被認(rèn)為能最好地保存古DNA。Gutiérrez的噬齒類動物死于炎熱潮濕的尤卡坦半島。她甚至不確定它們的骨頭中是否保留了任何DNA。不過,這些老鼠的頜骨最終送來了一份驚喜,并且讓人們看到了曙光,即古DNA能回答那些曾經(jīng)望塵莫及的問題。
全球大部分生物多樣性都進(jìn)化自熱帶。來自這些緯度的古DNA可以解決曾統(tǒng)治南美和澳大利亞的奇特巨型動物群起源問題,并且回應(yīng)關(guān)于在印度尼西亞被稱為哈比人的小型弗羅里斯人是原始人類的一個(gè)奇特物種還是不健全現(xiàn)代人類的爭議。不過,當(dāng)Gutiérre前往加拿大時(shí),幾乎所有從熱帶地區(qū)恢復(fù)古DNA的嘗試均已失敗告終。
掌管上述麥克馬斯特大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)化遺傳學(xué)家Hendrik Poinar介紹說,DNA是眾所周知的脆弱分子。暴露在水或氧氣中會將把雙螺旋結(jié)合在一起的化學(xué)鍵扯斷。當(dāng)生物體活著時(shí),細(xì)胞能快速修復(fù)此類損傷。但在死亡后,化學(xué)過程會帶來嚴(yán)重破壞,將DNA切分成很多微小部分,有時(shí)只有幾個(gè)堿基的長度。
幾十年來,科學(xué)家一直假定發(fā)現(xiàn)可進(jìn)行分析的古DNA的唯一場所是在寒冷干燥的環(huán)境中。冰冷的溫度減緩了化學(xué)反應(yīng),并抑制能吞噬細(xì)胞且將里面脆弱的DNA暴露出來的微生物活動。干燥應(yīng)該能減少水分對DNA分子鍵的攻擊。
過往經(jīng)歷證實(shí)了這些假設(shè)。自本世紀(jì)初起,令人印象深刻且可證實(shí)的結(jié)果開始從寒冷的環(huán)境中涌入。一個(gè)團(tuán)隊(duì)成功測序了來自育空的70萬年前的馬基因組,這也是迄今最古老的基因組。其他人則恢復(fù)了來自西伯利亞丹尼索瓦洞一些小指骨的新型人類完整基因組。與此同時(shí),諸如測序哈比人等備受矚目的熱帶地區(qū)研究都以心碎收場。
Gutiérrez心里明白這一切。因此,當(dāng)麥克馬斯特大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生嘲笑她關(guān)于微小噬齒類動物頜骨的計(jì)劃時(shí),Gutiérrez并不吃驚。這些頜骨在上世紀(jì)七八十年代出土自尤卡坦半島一個(gè)名為Loltun的灰?guī)r洞,并且自此被存放在墨西哥城。她知道,自己有90%的幾率會兩手空空地返回墨西哥。不過,這些骨頭擁有一些使其將關(guān)注點(diǎn)放在10%成功幾率上的特征。
首先,Gutiérrez發(fā)現(xiàn),她能將這些易碎頜骨分解,以追溯“最有可能發(fā)現(xiàn)古DNA的地方”——噬齒類動物牙齒的根源。她還知道自己的樣本有一個(gè)優(yōu)勢,因?yàn)槭升X類動物被保存在灰?guī)r洞中。如果足夠深,洞穴通常比地表涼爽,并且里面的溫度往往能保持穩(wěn)定。同時(shí),作為緩沖介質(zhì),灰?guī)r洞能阻止DNA被酸性土壤吞掉。
在麥克馬斯特大學(xué),Gutiérrez利用當(dāng)時(shí)以聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)為中心的主流技術(shù)放大DNA序列。她成功地從12塊頜骨中提取到古DNA的6個(gè)重疊片段共666個(gè)堿基對。將這些噬齒類動物的序列同來自現(xiàn)存近親的DNA進(jìn)行比對,Gutiérrez得以精細(xì)勾勒出尤卡坦半島噬齒類動物的系譜圖,并于去年夏天在《生物學(xué)快報(bào)》上發(fā)表了此項(xiàng)成果。她、Poinar及其共同研究者稱該成果對于熱帶古DNA樣本來說是“史無前例的成功”。
接二連三取得的類似成果正在說服一些科學(xué)家,Loltun可能并非僥幸。雖然在澳大利亞科廷大學(xué)古遺傳學(xué)家Michael Bunce和其他人看來,在熱帶地區(qū)或許可能將永遠(yuǎn)不會獲取到同在北極發(fā)現(xiàn)的一樣古老的基因序列,因?yàn)镈NA在溫暖的氣候下很容易分解得更快,但來自熱帶地區(qū)相對近期的DNA能回答足夠多的有趣問題。丹麥哥本哈根大學(xué)古遺傳學(xué)家Hannes Schroeder及其同事正試圖從克里斯多弗·哥倫布到達(dá)前生活在加勒比海地區(qū)的已滅絕泰諾人部落的一個(gè)成員中提取并測序古DNA。他們希望能闡明人們是如何以及何時(shí)到達(dá)人類最后居住的地區(qū)之一 ——加勒比海地區(qū)的。Schroeder的合作者、斯坦福大學(xué)博士后María ávila則希望利用來自16世紀(jì)和17世紀(jì)骸骨的古DNA研究非洲奴隸貿(mào)易對墨西哥人口遺傳學(xué)帶來的影響。
如今,Gutiérrez最初的分析已經(jīng)過時(shí),因?yàn)橐訮CR為中心的方法已被下一代使科學(xué)家得以分析DNA更短片段并幫助其剔除現(xiàn)代序列污染的測序技術(shù)取代。因此,她在2011年帶著噬齒類動物的樣本返回麥克馬斯特大學(xué)。迄今為止,Gutiérrez已利用更新的技術(shù)測序了2000多對未被污染的堿基對。而據(jù)Poinar預(yù)測,最終的結(jié)果“將令人印象深刻”。