如何提取头发、化石里的 DNA ？ 第1页

好，懒狗起来写答案啦！

我继续当砖！

首先是第一个小问题，头发里面怎么会有DNA，题主问头发主要结构都是角蛋白，那么哪里有细胞保存DNA呢？答案就是你掉落头发时头发末端能看见的小白点咯。一般都是依靠附着在头发上的毛囊来进行DNA测序的，因为毛囊是袋样上皮组成的结构。当然毛囊没了还可以用毛干，详细的阐释可以去百度搜索一下“毛干 DNA”，我这里就不赘述了。

关于第二个问题，我就好好写一下，化石里面是怎么提取DNA的。

（我建议题主再问一个化石里面怎么提取蛋白质好让我再水一篇回答哈哈哈哈哈）

一般来说，化石以及考古遗迹中的DNA都统称为古代DNA（ancient DNA，aDNA），为了方便，我下面全部用aDNA这个缩写，虽然动物考古和古生物研究侧重对象不尽相同，但是在大分子研究上还是基本一致的，因此在这里可以不做区分，考古古生物一家亲。根据Morten Allentoft在恐鸟化石上的研究，DNA的半衰期约为521年，也就是说，DNA很难在长的地质历史时期内保存。目前最古老的动物化石DNA序列来自于2013年加拿大育空地区的发现的中更新世的马，约70万年，而最古老的人类DNA则是同年出自西班牙胡瑟裂谷的人类化石，约43万年。在沉积物、冻土中保存较长，如格陵兰冻土中40~80万年的动植物DNA残留。这些aDNA都保存于较为特殊的环境中，比如低温、pH适宜、没有强光照的环境，在这些环境中，微生物分解与酶的作用会大大降低，这有利于aDNA的保存。

首先讲一下历史，最早的aDNA研究是什么时候开始的呢？答案可能出乎很多人的意料——最早在灭绝生物中成功提取aDNA的案例发生在快40年前的1984年，仅距离桑格尔发明第一代测序只有9年。加州大学伯克利分校的Russell Higuchi等人在一种19世纪灭绝的马科动物伯切尔氏斑马（Equus quagga ）的标本肌肉中成功提取到了DNA，并且识别出了两个线粒体DNA序列。这两个线粒体DNA序列与现存物种山斑马（Equus zebra ）的线粒体DNA有12个碱基的替换，说明这两个物种在3~4个百万年前有共同祖先，符合化石记录。

这是一个非常漂亮的开头——起码相较于古蛋白质，aDNA的研究开篇实在是过于完美，头一遭就把之后整个研究的框架给包括进去了：提取aDNA、测序、系统发育分析、与化石研究对照。后来基本所有的研究都是按照这个模板做下去的。而之后的研究主要任务就是革新技术，以便发现更早、保存更差、信息量更少的aDNA分子，之后完成后续的比对研究。我想，题主关心的正是这些技术是怎么实现“从石头里面”提取DNA的。

前面提到，最早的aDNA研究是通过标本完成的，也就是说，是通过肌肉细胞来提取的。这与现代DNA提取并无太大的不同（除了当时的测序手段比较原始），主体还是苯酚萃取DNA，之后再用无水乙醇沉淀，最后跑凝胶电泳。苯酚的作用是变性蛋白质，使蛋白质与DNA分离，同时作为有机相；而乙醇的作用则是作为稳定的沉淀剂，夺去DNA分子中的水使其容易聚合。详细的技术原理网上相关的资料有不少，可以自行查阅。而现在实验室用来提取DNA的方法也不仅仅只有这一种，常见的还有磁珠法、硅离心柱法、树脂提取法等等，有兴趣可以在B站上找找相关的介绍视频。

那化石中的DNA提取与普通的提取方法有什么巨大的差异吗？事实上，并没有。不仅仅是化石，沉积物、古代遗迹、冻土等等样品中的aDNA的研究与普通DNA的提取都是一样的，就是把样品抓过来，用试剂盒抽提出其中的DNA，然后进行测序等后续研究。毕竟我们的研究对象是“残余在样品中的DNA”，与通常的DNA测序相比，aDNA只是保存更差、含量更低、外界干扰更多——但是这并不会让我们独立开创一个新的技术体系，毕竟现代生物学指导古生物学研究嘛。那我们一般是如何研究aDNA的呢？我简单介绍一下整个通用的技术流程。

先给一个技术流程图。

首先是样品制备。

通常来说，为了确保提取的DNA尽可能来自于化石物种本身，而非外界污染（如微生物DNA、实验室中操作人员的DNA），在进行提取前首先应当对样品进行前处理。一般的对象是动物骨骼中最致密的部分，如颅骨的颞叶岩部内侧，牙齿的骨质层等。对于骨骼量大，保存完好的化石来说，可以先刮去表层部分，之后再钻取里面的样品。对于牙齿的话则可以先拔出来，取牙根部分进行研究。在完成采样后，可以用10%的次氯酸浸泡，之后用超纯水反复清洗，力求尽可能排除污染。有的研究会补上紫外照射啊、乙醇浸泡啊等等——反正在不摧毁化石中大分子的基础上，尽可能地杀菌洗涤就对了，造就完事儿了。之后就是破碎处理，为了充分使得样品中的DNA分子与提取试剂结合，所以必须要通过破碎来增加接触面积。一般是液氮冷却条件下破碎成骨粉，低温保存骨粉样品。

对于古代沉积物来说，处理方法就略有不同了。由于沉积物大多都是湿物质，并且往往混杂了多种生物的DNA，因此处理方法与通常的生物材料是相似的（比如土壤、粪便微生物DNA提取），拖上去离心取上清液就好。

在完成预处理后，下一步就是DNA的提取。

提取步骤现在基本都是现成的试剂盒。虽然原理各不相同，但是本质都是通过物理化学手段将保存在骨骼中的DNA分子提取出来。以较为传统的蛋白酶K-酚提取法为例：首先需要用EDTA进行脱钙质处理，之后加入含蛋白酶K的EDTA溶液消化，去除杂质，之后再按照酚提取法步骤获得DNA即可。虽然对于路人来说这一步看起来最高大上，但是实际上这一步最不用动脑子——根据实验说明做就行了，我就是无情的试剂盒操作机器人。

再下一步就是序列的扩增，这个就是PCR。由于化石中残留的DNA非常少，且大多都是一些碎片。因此，必须要通过PCR进行扩增，提高浓度，这样才便于后续的测序与分析工作。这一部分的难点在于引物的设计以及扩增中出现的错配。因为aDNA往往会在沉积过程中出现DNA损伤，如DNA交联、胞嘧啶脱氨成为尿嘧啶等等，因此需要采取一些手段来避免这些损伤导致的序列信息的错误。如用 PTB (N-phenacylthiazolium bromide)可以消除 DNA 链交联，用UNG (尿嘧啶糖苷酶，Uracil-N-glycosylase)去除胞嘧啶的脱氨产物等。

需要提一句的是沉积物DNA由于其来源复杂（不像你钻骨头，钻谁就是谁的DNA），因此很难确定获得的DNA的来源。所以一般来说需要通过分子探针勾选目标DNA。这一技术主要建立在线粒体DNA上面，由于线粒体DNA长度短，拷贝数多，特异性好，所以在沉积物研究中一般都是研究线粒体DNA。目前通用的技术手段应该是德国马普的那一套242种哺乳动物线粒体DNA探针，通过这些已知序列的探针去钩选沉积物中与其最为相近的DNA，就能简单地区分出被钩选DNA的属种来源。

之后的步骤就是测序。当下主流的aDNA测序方法是鸟枪法与靶向富集测序。通过鸟枪测序，提取的DNA直接转化为测序文库，也可以分辨出C-T误读。这个技术在最近的古人类学中用的比较多，自从马普用这个做了丹尼索瓦人的沉积物研究之后基本上后面都采用了这个技术流程。靶向富集测序顾名思义，就是通过DNA或RNA诱饵对感兴趣的DNA文库片段进行选择，之后再对该片段进行扩增，提高序列分析的信噪比。

当然最后的部分就是序列信息的读取以及系统发育树的构建啦。完成了这一步就完成了整个古基因组学的研究，可以发论文了。

可能有些朋友看了《侏罗纪公园》之后很好奇琥珀能不能保存aDNA，但是很遗憾的是，琥珀并非是良好的保存载体。80、90年代有很多关于中生代虫珀保存线粒体DNA的报道，但是根据后续的研究要么缺乏可信度，要么就是来自于外界的污染。实际上琥珀的形成过程有非常复杂的交代作用，并且密闭性也远非人们所认为地良好，因此从琥珀中提取aDNA的可行性非常低，远不如冻土或者一些特异性埋藏的化石。因此，结构上的问题可以委托琥珀完成，至于大分子嘛，还得看运气啦哈哈哈哈哈。

大致如此，以上。