跨越百万年的障碍，发现最古老的DNA
Million-year-old DNA sheds light on the genomic history of mammoths
作者：Tom van der Valk, Patrícia Pečnerová, David Díez-del-Molino, Anders Bergström, Jonas Oppenheimer, Stefanie Hartmann, Georgios Xenikoudakis, Jessica A. Thomas, Marianne Dehasque, Ekin Sağlıcan, Fatma Rabia Fidan, Ian Barnes, Shanlin Liu, Mehmet Somel, Peter D. Heintzman, Pavel Nikolskiy, Beth Shapiro, Pontus Skoglund, Michael Hofreiter, Adrian M. Lister, Anders Götherström, Love Dalén
Nature
发表时间：2021/02/17
摘要：
Temporal genomic data hold great potential for studying evolutionary processes such as speciation. However, sampling across speciation events would, in many cases, require genomic time series that stretch well back into the Early Pleistocene subepoch. Although theoretical models suggest that DNA should survive on this timescale1, the oldest genomic data recovered so far are from a horse specimen dated to 780–560 thousand years ago2. Here we report the recovery of genome-wide data from three mammoth specimens dating to the Early and Middle Pleistocene subepochs, two of which are more than one million years old. We find that two distinct mammoth lineages were present in eastern Siberia during the Early Pleistocene. One of these lineages gave rise to the woolly mammoth and the other represents a previously unrecognized lineage that was ancestral to the first mammoths to colonize North America. Our analyses reveal that the Columbian mammoth of North America traces its ancestry to a Middle Pleistocene hybridization between these two lineages, with roughly equal admixture proportions. Finally, we show that the majority of protein-coding changes associated with cold adaptation in woolly mammoths were already present one million years ago. These findings highlight the potential of deep-time palaeogenomics to expand our understanding of speciation and long-term adaptive evolution.
DNA在化石之中可以存活多久？当有机体死亡之后，其染色体就会分裂成碎片，随着时间的推移，DNA变得越来越短，使得科学家即使能成功地将它们提取出来，也难以对它们进行拼接或解读出它们原本所蕴含的遗传信息。
有理论研究表明，现有的最先进技术可以恢复超过一百万年的古DNA。但是很长一段时间以来，对于古DNA来说，“一百万年”就像一道难以突破的关卡。自2013年以来，最古老DNA的记录一直由古遗传学家Ludovic Orlando所测序的一匹马所保持。当时，Orlando和他的团队对一匹生活在560,000至780,000年前的马的腿骨进行了DNA测序。他们在腿骨中发现了一些非常短的DNA碎片，其中有些甚至只有25个碱基对长。尽管如此，他们仍然从如此短的DNA碎片中读取到了遗传信息。
而今天的故事，与3颗埋藏在西伯利亚东北部的永久冻土中的古老动物牙齿有关。这3颗牙齿属于早已灭绝的猛犸象，长期以来，它们在寒冷的冻土中度过了漫长的岁月，直到20世纪70年代才被人发现并挖掘。
在一项新的研究中，瑞典自然历史博物馆的进化遗传学家Love Dalén和他的团队通过从这些牙齿中提取到的DNA，刷新了已知的最古老DNA记录，并确认了一种新的、之前未知的猛犸象。他们发现，一些栖息在北美的长毛巨兽，可能是真猛犸象（Mammuthus primigenius）和这种新猛犸象物种的杂交后代。研究结果发表在了最近的《自然》杂志上。
自2007年起，Dalén就开始考虑对猛犸象进行DNA测序。他希望通过从化石样本中提取到的DNA，来了解不同猛犸象的进化过程。在此之前，他曾成功的对一头真猛犸象，以及两头草原猛犸（Mammuthus trogontherii）的臼齿进行过DNA测序。
这一次，Dalén和他的团队通过采用最先进的测序技术，成功地从挖掘于永久冻土的猛犸象臼齿样本中捕捉到了古老DNA。第一个样本发现于一个名叫克莱斯托夫卡（Krestovka）的村庄，他们从这一样本中获取了4900万碱基对的核DNA；第二个样本挖掘与一个名叫阿德恰（Adycha）的地方，他们从中获得了8.84亿碱基对；第三个样本发现与一个名叫丘科奇亚（Chukochya）的地方，科学家从中读取到了近37亿对DNA碱基对。
通过DNA分析表明，第一颗牙齿样本和第二颗牙齿样本最为古老：挖掘自克莱斯托夫卡的样本已有165万年的历史；挖掘自阿德恰的样本大约已有130万年的历史；而来自丘科奇亚的样本则属于一头60万年前的猛犸象。
从形状上看，最古老的这两颗牙齿样本似乎同属于草原猛犸。草原猛犸被认为是欧洲大陆的一种物种，有研究表明，草原猛犸的出现时间比真猛犸象以及北美的哥伦比亚猛犸（Mammuthus columbi）更早。但从这两颗牙齿的基因组所延伸出的信息却令人迷惑，因为DNA分析结果表明，克莱斯托夫卡和阿德恰的牙齿样本属于两个不同的猛犸象物种。阿德恰的样本部分属于草原猛犸谱系的一部分，这一部分后来发展成为了真猛犸象；但克莱斯托夫卡的样本的DNA分析结果则没有显示出这样的迹象，它可能属于一个全新的未知的猛犸象谱系。
研究人员推测，克莱斯托夫卡猛犸象可能在200多万年前就与它的亲戚分离了。他们认为，尽管这种样本出土自俄罗斯，但它所属的物种的谱系或许是在北美时与就其他草原猛犸象发生了分离。
此外，研究人员还发现，这种未知物种可能曾与真猛犸象杂交在一起，产生了在42万年前生活在北美地区的哥伦比亚猛犸象。因为他们通过分析哥伦比亚猛犸象的DNA后，发现哥伦比亚猛犸象的祖先有一半可以追溯至这种克莱斯托夫卡猛犸象，还有一半可以追溯到真猛犸象。这是首个来自古DNA的杂种物种形成（hybrid speciation）证据。
猛犸象的进化历程。| 素材来源：Nature
值得强调的是，这次测序的猛犸象DNA并不是从化石记录中提取到的最古老生物分子信息。2016年，有研究人员报告了从380万年前的鸵鸟蛋壳中测得了蛋白质序列；2019年，有研究团队从177万年前的犀牛牙齿中捕捉到了蛋白质。不过提取到古DNA的优势在于，相比于蛋白质，从DNA序列中所能获取的关于生物起源的信息要多得多。
新的结果增加了科学家所掌握的猛犸象遗传信息，这对于想要了解猛犸象的地理分布，以及它们是如何进化的、有着怎样的外形特征、为何有着如此大的多样性来说意义重大。
一直以来，出现一个具有百万年历史的基因组是许多古生物学家和古遗传学家所期待的事，但这也是科学家们一直以来都难以跨越的一个门槛。新的研究成果为从事相关研究的科学家带来了捷报，激励着他们去对更多更古老的DNA进行测序。或许在不久之后，我们就能从永久冻土中挖掘到麝香牛、驼鹿等动物的样本，然后从中发现新的基因故事。
那么，古DNA是否具有寿命极限？Dalén表示，答案是肯定而明确的，这个数字是260万年，这也是永久冻土的极限。
参考来源：
https://www.nature.com/articles/d41586-021-00436-x
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03224-9
https://www.sciencenews.org/article/oldest-animal-dna-ever-recovered-mammoth-evolution
https://www.nature.com/articles/d41586-021-00348-w