“古基因组”引爆热点，高通量测序在考古中的应用走进大众视野
2022-12-10 测序中国 测序中国 发表于安徽省
华大智造MGISEQ-2000测序仪也已被广泛应用于各种组学研究，多篇报道也证实了MGISEQ-2000平台的性能与Illumina系列相当，并且具有更灵活的读取长度选择、更高通量和更低成本。
长江口二号与古基因组研究
2022年11月20日晚上8点，在长江口横沙水域，“长江口二号”古船开始打捞。经过4个多小时，古船露出水面。这艘清代同治年间的贸易商船，在沉没150多年后，终于重见天日！据悉，这是我国水下考古发现的体量最大、保存最为完整、船载文物数量巨大的木质帆船。
随后，关于“长江口二号”古船的水下考古，则由多家考古团队从不同方面展开，开启文物保护与考古发掘新阶段。其中，对于这艘古船的生物考古方面，则完全由复旦大学文物与博物馆学系/科技考古研究院副教授文少卿团队负责。
据最新消息，文少卿团队借助高通量测序技术率先对古船的“出生地”和“出生日期”进行了揭秘。通过运用MGISEQ-2000高通量基因测序平台等仪器设备对取自古船的稻壳样本进行了检测，结果发现，可以根据稻壳的DNA比对结果大致推测其产地；甚至可根据碳十四测年判断稻壳的大致“年龄”，来大致推测长江口二号古船的年代。此外，基于华大智造MGISEQ-2000等仪器设备，考古人员还通过对提取的微生物的3900多条DNA信息推测出在古船的沉积过程中长江水环境的变迁。
文少卿副教授在接受采访时说到：“此前，我们一直在做人、动物、植物的生物考古研究，然而将分子考古、古基因组的前沿技术运用于沉船考古，还是第一次。纵观全球，将分子考古的手段运用于水下考古，都较为少见，但我们愿意做一些富有挑战性的事情。”
文少卿副教授提到的“古基因组”也是2022年的热词之一。2022年10月3日，瑞典诺贝尔奖委员会宣布将2022年诺贝尔生理学或医学奖授予瑞典古生物学家斯万特·帕博（Svante Pääbo），以表彰他在已灭绝的人类基因组和人类进化方面的发现。
斯万特·帕博教授正是通过一系列开创性研究，开辟了一个全新的研究方向。他的团队利用古基因组技术发掘出那些遗落了成千上万年的遗传信息，从中抽丝剥茧，不断刷新我们对人类历史的认知，让我们更加清晰地了解我们的祖先是如何一步步演化出独一无二的现代人的。
同样基于最前沿的古基因组学手段，文少卿团队通过对不同时期和区域的考古文化出土骨骼的检测，系统梳理古代人群间的谱系源流关系，进而描述中华民族“血脉”交融的动态过程，揭示探源中华民族形成史文明。曹操的父系遗传类型、司马光家族基因家谱、河西走廊“古黑水国”人群身世之谜……这些耳熟能详的历史人物，都曾在文少卿团队的分子考古学研究下，拨开千年的层层迷雾，以新奇的方式呈现在大众的视野之中。
破解古墓基因密码，
揭吐蕃源流史
在“长江口二号”古船开始打捞之际，2022年11月21日，国际期刊iScience在线发表了文少卿研究员团队联合厦门大学王传超教授团队的最新研究文章“Cultural and demic co-diffusion of Tubo Empire on Tibetan Plateau”。该论文从青海省都兰县热水墓群哇沿水库遗址中成功获取了距今1202-1380年的10例古代个体全基因组序列，结合考古学资料系统解析了吐蕃时期哇沿水库遗址相关人群的遗传结构，并提出吐蕃政权在青藏高原东北缘是采取人群和文化共扩张的模式。
文章发表在iScience
研究结果表明，这10例古代个体中的9个古代拥有与现代核心藏族人群、先前报道的尼泊尔古代个体相似的遗传成分，是目前为止发现带有相似遗传成分的古代基因组中，最东北缘的个体。这些个体反映了核心藏族人群向青藏高原东北缘的扩张迁徙活动。此外，研究人员还发现1例古代个体出自竖穴土坑墓，该墓葬类型在同时期的中亚和阿尔泰山区域较为常见。研究人员对该个体进行的遗传学分析也发现其与其余9例古代个体的遗传成分相距甚远，但与同期的欧亚大陆草原游牧人群拥有相似的遗传成分，表明了都兰区域与中亚可能存在人群交流互动。
图1. 吐蕃源流史示意图，来源：iScience
综合已有的考古学证据，文少卿团队研究认为吐蕃政权的扩张属于人群和文化共扩张的现象，并还原了吐蕃政权在历史时期对青藏高原东北缘的扩张历史。吐蕃政权在与吐谷浑长期争夺都兰地区控制权的过程中，伴随着大量的人群迁徙。同时，都兰地区本土文化也逐渐受到吐蕃文化的影响，并最终被吐蕃文化所取代。
在上述研究中，测序工作基于华大智造MGISEQ-2000完成。文库制备层面，研究团队使用了MGIEasy通用DNA文库制备试剂套装，该套装也是针对华大智造高通量测序平台量身打造的WGS文库制备试剂盒，其使用联合探针锚定聚合技术（cPAS），通过将DNA分子锚和荧光探针在DNA纳米球（DNB）上进行聚合，并利用高分辨率成像系统对光信号进行采集，光信号经过数字化处理后获得高质量高准确度的样本序列信息。该试剂盒采用高质量的酶学组成，改进型接头连接技术以及具有强扩增效率的高保真酶，显著提高文库转化率与扩增效率，适用于包括人、动物、植物、细菌、真菌等多物种的全基因组建库试剂套装。
图2. 方法列表中MGI产品信息，来源：iScience
高通量测序革新古基因组研究
近些年，也正是高通量测序技术的突飞猛进和广泛应用，顺势推动了古基因组研究。在高通量测序普及之前，古基因组研究领域只能依赖聚合酶链式反（PCR）技术测定少数特定DNA片段的序列，这种超低通量的技术不仅耗费大量的人力物力，且收效甚微。这是因为PCR技术获取的DNA信息极其有限，难以区分真正的古DNA和污染DNA。
高通量测序技术则能克服PCR存在的不足，其理论上能检测样本中所有DNA分子的信息，即使古DNA含量极低，高通量测序也能很有效地对其进行测序。不仅如此，通过搭建生物信息学分析流程，结合参考基因组，还能快速检测到样本中是否存在古DNA损伤，从而达到鉴别古DNA的目的。同样重要的一点是，随着技术的成熟，测序成本逐年降低，这也使得古基因组研究领域得以发展壮大。
目前，虽然说市面上已经存在针对古基因组的各种高通量测序平台，但由于古DNA样本的特殊性和脆弱性，其对测序仪器的性能要求比较高。因此，要想进行更加“精准”的古基因组研究，配备高性能的测序仪器必不可少。
早在2021年10月，文少卿团队联合王传超团队就在Frontiers in genetics杂志报道了题为“Comparative performance of the MGISEQ-2000 and Illumina X-Ten sequencing platforms for paleogenomics”的研究文章，首次评估了使用华大智造MGISEQ-2000测序平台进行古基因组学研究的潜力。研究结果表明，MGISEQ-2000和X-Ten具有相当的性能，均可以作为古基因组学研究的潜在选择测序平台。
文章发表在Frontiers in genetics
具体来讲，研究数据显示，MGISEQ-2000和X-Ten平台在重复序列率、测序偏好性等参数上只有细微差异，但是MGISEQ-2000在人源内源率（比对率，说明了保留人源DNA占总DNA的比例信息）和文库复杂度方面表现得更优；而在测序深度方面，同样的数据量下，由于比对到人基因组上的数据更多，使得MGISEQ-2000的测序深度更深。总之，这些结果表明MGISEQ-2000具有媲美Illumina系列平台的性能。基于此，研究团队认为，MGISEQ-2000可作为大多数古基因组学研究的潜在选择。
此外，华大智造MGISEQ-2000测序仪也已被广泛应用于各种组学研究，多篇报道也证实了MGISEQ-2000平台的性能与Illumina系列相当，并且具有更灵活的读取长度选择、更高通量和更低成本。
参考文献：
1. Zhu, K., et al. Cultural and demic co-diffusion of Tubo Empire on Tibetan Plateau, ISCIENCE (2022).
2. Kongyang Zhu, et al. Comparative performance of the MGISEQ-2000 and Illumina X-Ten sequencing platforms for paleogenomics. Frontiers in genetics (2011).Front. Genet. doi: 10.3389/fgene.2021.745508.
3. Wang, T.Y., et al. (2021). Human population history at the crossroads of East and Southeast Asia since 11,000 years ago. Cell 184, 3829-3841. 10.1016/j.cell.2021.05.018.
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