古代の DNA テクノロジーはどのようにして「波の中の金を見つける」のでしょうか?

絶滅した古代人類（ネアンデルタール人やデニソワ人）の完全なゲノムを再構築し、世界の人口移動と交流の歴史をマッピングし、東アジア最古の現代人である「牧畜民」の遺伝子構造を発掘し、最終氷期極大期の前後の東アジア集団の適応遺伝子の変化を明らかにし、中国北部と南部の人口パターンの形成を追跡し、中国南部のオーストロネシア人の起源を追跡します...過去10年間、研究者は古代DNA技術を使用して、数千年にわたって失われていた遺伝情報を発見し、それを解明し、人類自身の進化のプロセスに関する理解を絶えず更新してきました。

7月21日、Cell誌はバイオテクノロジーの最新の最先端技術を論じた特別号を刊行した。中国科学院古脊椎動物学・古人類学研究所の研究員である傅喬米氏とそのチームは、古代DNAの最先端分野をリードし、古代DNA技術の発展と将来に関するレビュー論文を発表するよう招待された。この記事では、古代 DNA 技術の発展の歴史とブレークスルーを振り返り、現在の技術的なボトルネックと解決策、さらに古代 DNA 技術の将来の発展方向と展望について説明します。

ハイスループットシーケンシングは古代DNAの領域全体をカバーします

ハイスループット シーケンシング (第 2 世代シーケンシングとも呼ばれる) は、大量の DNA 配列を迅速に決定できる技術です。ハイスループットシーケンシングが普及する前は、古代の DNA 分野では、いくつかの特定の DNA 断片の配列を決定するために PCR 技術に頼ることしかできませんでした。

「この方法で得られるDNA情報は極めて限られており、本物の古代DNAと汚染されたDNAを区別することは困難です。ハイスループットシーケンシングは、理論的にはサンプル内のすべてのDNA分子の情報を配列することができ、コストは年々低下しています。含有量が極めて少ない古代DNAでも、非常に効率的に配列することができます。」傅喬米氏は説明した。それだけでなく、バ​​イオインフォマティクス手法により、サンプル内に古代 DNA の損傷があるかどうかを迅速に検出することも可能となり、古代 DNA を識別するという目的を達成できます。この方法は、現場で古代 DNA を検出する際の重要な標準にもなっています。

さらに、研究者らは古代DNAの特性に基づいて、ハイスループットシーケンシング（DNAライブラリ構築）の実験方法にさまざまな調整と最適化を加えました。

傅喬米氏は、半UDG処理と一本鎖DNAライブラリの構築が最も重要な2つの技術的進歩であると述べた。ハーフ UDG テクノロジーは、DNA 末端の損傷をある程度保持しながら、古代 DNA の損傷の大部分を修復できるため、古代 DNA の特性を保持しながら古代 DNA 配列解析結果の精度が向上します。一本鎖 DNA ライブラリは、古代 DNA に多数の一本鎖粘着末端が含まれることが多い状況に対処するために設計されています。二本鎖 DNA を一本鎖 DNA に直接変性させてライブラリを構築し、損傷した一本鎖の古代 DNA をより効率的に配列します。

DNA捕捉技術が限界を押し広げる

「ハイスループットシーケンシングは古代DNAを比較的効率的に配列できるが、古代DNA抽出物には大量の汚染DNAが含まれることが多いため、配列されたDNA分子のほとんどは役に立たない情報である。本当に有用な古代DNA配列は、配列データの1％未満を占めることが多い」と傅喬米氏は述べた。

これに対応して、研究者たちは古代 DNA の分野で DNA 捕捉技術を開発し、応用してきました。DNA または RNA プローブを設計することで、釣りのように大量の汚染 DNA から目的の古代 DNA を「釣り上げる」のです。

この技術は現在、人類古代ゲノム研究に広く利用されており、人類古代ゲノムデータの3分の2以上は「1240k」と呼ばれるプローブグループによって取得されたデータから得られています。

「DNAキャプチャー技術は古代DNAの配列解析の効率を大幅に向上させるだけでなく、一部の「扱いにくい」サンプルから分析に十分なデータを効果的に取得することもできます」とFu Qiaomie氏は述べた。

典型的な例は、傅喬米氏のチームが昨年Cell誌に発表した古代南部の集団に関するゲノム研究だ。中国南部の暖かくて湿気の多い環境と地元の酸性土壌は古代DNAの保存に適さず、この地域での古代DNA研究はしばらく空白状態となっていた。当時、傅喬米氏のチームはDNAキャプチャ技術を利用して、30の古代南方集団のゲノム情報を取得することに成功し、東アジアと東南アジアの交差点の集団の1万年以上の遺伝的歴史を明らかにした。

最近、古代DNAの研究者たちは、化石の束縛から解放され、「土壌」から直接古代DNAを抽出することで、限界にさらに挑戦しています。この技術はデニソワ洞窟や白石崖洞窟にも応用され、数万年前に絶滅した古代人類のDNAを入手することに成功した。古代の DNA テクノロジーと「波の中の金の採掘」の継続的な反復のプロセスは、現在も進行中です。

今後克服すべき困難

古代 DNA の分野は実りある成果を達成してきましたが、古代 DNA の研究は常に困難と課題に満ちています。

古代 DNA 自体は汚染に対して非常に敏感であり、実験には極めて正確な手順が必要です。過去において、古代の DNA 抽出とライブラリ構築はほぼ完全に手作業に依存していました。傅喬米氏は、最近、世界中のいくつかの研究室で、古代DNAの実験手順の一部が全自動ピペッティングロボットプラットフォームにうまく統合され、人力と物的資源を大幅に節約できるだけでなく、手動操作によってもたらされる汚染のリスクも軽減されたと紹介した。

「現在、サンプルの前処理手順は依然として手作業に頼らざるを得ない。この時間と労力を要する作業を自動化システムに統合する方法が、古代DNA実験技術が克服しなければならない次のハードルだ」と傅喬米氏は指摘した。

さらに、古代 DNA 技術の応用範囲は、人類の古代ゲノムの範囲をはるかに超えています。傅喬米氏は、古代微生物のDNA情報を通じて古代の疫病や共生微生物の進化を追跡すること、古代のエピジェネティック情報を使用して古代の動物と環境の相互作用を探ること、古代のタンパク質を使用してより長い時間スケールで人類の進化を探ることは、すべて古代分子生物学の重要な分野であると紹介した。彼女の意見では、この情報をより効果的に入手し、多次元で情報を組み合わせる方法が、将来の研究における難しさの 1 つです。

古代 DNA は、独自の視点から数万年にわたる人類の進化と適応を記録した、時間スケールを備えた遺伝情報です。こうした長年の痕跡は人類の遺伝的歴史を記録しているだけでなく、今日の人々の生理機能や健康にも影響を与え続けています。

「重要な機能遺伝子のハプロタイプのいくつかは、絶滅した古代人類に由来すると推測しています。これらの遺伝子は、先天性免疫、脂質代謝、高地適応性、皮膚の色、重症COVID-19への感受性などに関係しています。さらに、東アジアの人口に特有の髪や歯の表現型に関連する遺伝子型があり、その頻度も最終氷期極大期以降に増加しました。これは環境適応性と関係していると推測されています。」傅喬米さんは言った。

さらに、古代の DNA 研究で発見された多くの特殊な遺伝子型の機能はまだ解明されていません。傅喬米氏は、将来的には動物モデルを構築し、遺伝子編集技術と組み合わせることでこれらの発見を検証できると考えている。 「古代のDNA技術と現代の最先端の分子生物学技術を組み合わせることで、進化の歴史が今日の人間の健康に及ぼす影響をより明確に理解することができます。」