????????環(huán)境DNA（environmental DNA, eDNA）領(lǐng)域發(fā)展迅速，但人類eDNA的應(yīng)用仍未得到充分利用和重視。eDNA分析的廣泛應(yīng)用將為病原體監(jiān)測(cè)、生物多樣性監(jiān)測(cè)、瀕危和入侵物種檢測(cè)以及群體遺傳學(xué)帶來(lái)許多公認(rèn)的好處。

????????佛羅里達(dá)大學(xué)野生動(dòng)物疾病基因組學(xué)教授David Duffy帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這種廣泛存在的人類DNA進(jìn)行了測(cè)序，相關(guān)研究成果于2023年5月15日最新發(fā)表在《Nature Ecology & Evolution》，題目為“Inadvertent human genomic bycatch and intentional capture raise beneficial applications and ethical concerns with environmental DNA”。本研究結(jié)果表明，這些廣泛存在的eDNA質(zhì)量非常高，可以讓科學(xué)家識(shí)別與疾病相關(guān)的突變，并確定附近人群的遺傳血統(tǒng)。

期刊：Nature Ecology & Evolution

影響因子：19.1

DOI：10.1038/s41559-023-02056-2

文章概述

????????美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，eDNA測(cè)序可能會(huì)意外地收集到人類基因組信息，即“人類基因副產(chǎn)品（HGB）”。該研究團(tuán)隊(duì)分析了一些樣本，從中識(shí)別出了人類遺傳物質(zhì)，并通過(guò)對(duì)額外樣本的分析來(lái)定量HGB的水平。這些樣本來(lái)自各個(gè)遠(yuǎn)離或接近人類活動(dòng)的水域。在所有eDNA樣本中，該團(tuán)隊(duì)都識(shí)別出了HGB。有些樣本的質(zhì)量足以識(shí)別出身份信息，例如祖先和疾病易感性。研究人員指出，由于HGB帶來(lái)了eDNA研究的倫理和隱私問(wèn)題，該領(lǐng)域的研究可能需要更嚴(yán)格的審查。

主要結(jié)果

????????對(duì)野生動(dòng)物和病原體監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的水和沙子eDNA進(jìn)行宏基因組深度測(cè)序，在所有樣本中都檢測(cè)到與人類匹配的reads（圖1b）。此外，在一些野生（非康復(fù)水箱）水樣中，檢測(cè)到的人類測(cè)序數(shù)據(jù)的水平幾乎與主要研究物種綠海龜一樣高。正如預(yù)期的那樣，修復(fù)砂和水箱水樣品中海龜?shù)膃DNA含量高于人類的eDNA。由于研究地點(diǎn)并不直接毗鄰人類密集居住地區(qū)（即城市或城鎮(zhèn)），因此從野生樣本中提取的人類eDNA的高比率尤為重要。

????????在這些復(fù)雜的宏基因組eDNA測(cè)序樣本中，人類Y染色體可以被用于確認(rèn)真正的人類reads的存在。在所有樣本中均檢測(cè)到人類Y染色體基因組副產(chǎn)品，河口樣本的人類Y染色體RPTM值往往高于海洋樣本。用于人類eDNA定量的物種特異性qPCR分析顯示，人類DNA很容易從位于城鎮(zhèn)附近的水位點(diǎn)重建（圖1c和圖2）。同時(shí)研究人員還前往一個(gè)人跡罕至的偏遠(yuǎn)島嶼，未檢測(cè)到人類DNA，但從志愿者在沙灘上的腳印中可提取到人類DNA（圖2b）。此外，研究人員從一家獸醫(yī)院收集了室內(nèi)空氣樣本，并找到了與工作人員、動(dòng)物和常見(jiàn)動(dòng)物病毒相匹配的DNA（圖2c）。

????????通過(guò)qPCR對(duì)每個(gè)樣本中的人類eDNA水平進(jìn)行定量后，選擇了7個(gè)樣本進(jìn)行MinION測(cè)序，以確認(rèn)人類基因組信息可以來(lái)源于有意識(shí)的人類。用6個(gè)有意識(shí)的人類eDNA樣本（收集于2022年）和旅程時(shí)間最長(zhǎng)的（旅程超過(guò)904 km）的水陰性現(xiàn)場(chǎng)對(duì)照樣本進(jìn)行的。在沒(méi)有任何富集的情況下，水、人類足跡沙子和室內(nèi)空氣中的人類eDNA樣本返回了數(shù)千個(gè)與人類一致的reads，而現(xiàn)場(chǎng)對(duì)照組水樣和無(wú)人類足跡沙子eDNA樣本只有2到26個(gè)與人類匹配的reads。結(jié)果顯示，eDNA不一定是片段化的DNA，因?yàn)榧词箾](méi)有采用高分子量提取方法或長(zhǎng)讀文庫(kù)制備方案，研究人員也恢復(fù)了長(zhǎng)達(dá)148,969 bp的人類eDNA單reads（空氣eDNA；水120,998 bp；沙子39,229 bp）（圖3b）。

????????為了證明人類eDNA可以用于不僅僅是定量的應(yīng)用，研究進(jìn)一步檢查了eDNA數(shù)據(jù)中已知的人類遺傳變異，以確定基于eDNA的祖先和疾病易感性應(yīng)用是否可行。在gnomAD（v.2.1）中注釋的缺失變異可以在所有三種人類陽(yáng)性eDNA樣本中檢測(cè)到，主要在水中，但在沙子和空氣樣本中也有較小程度的缺失變異（圖4a）。在單條read中檢測(cè)到的最長(zhǎng)缺失突變?yōu)?0,738 bp，這是歐洲和拉丁美洲人群中常見(jiàn)的拷貝數(shù)多態(tài)性，位于人類2號(hào)染色體上。

????????接下來(lái)，研究人員評(píng)估了在水和沙質(zhì)eDNA樣本上進(jìn)行人類外顯子組富集的可行性。5個(gè)eDNA樣品富集了人類外顯子組，然后再通過(guò)高通量二代測(cè)序。結(jié)果表明，外顯子組富集增加了人類對(duì)齊reads的比例（圖4b）。外顯子組富集后，水eDNA樣本有48%的測(cè)序reads與人類基因組對(duì)齊（207.2億人類對(duì)齊堿基），代表了目標(biāo)人類外顯子組區(qū)域的473x覆蓋度（圖4b）。

????????然后，研究人員檢測(cè)了在eDNA樣本中存在的人類群體-基因組水平的分辨率。檢測(cè)到的缺失突變（圖4a）在不同的人群中以不同的等位基因頻率發(fā)生。該研究還對(duì)所有有意測(cè)序的人類eDNA陽(yáng)性樣本進(jìn)行了單倍群和單倍型分析。每個(gè)評(píng)估的eDNA樣本都可以進(jìn)行群體基因組分析，不同樣本之間特定單倍群和單倍型的比例不同（圖4c）。每個(gè)樣本還包含了復(fù)雜的微生物混合數(shù)據(jù)，證明了eDNA（包括空氣eDNA）在同時(shí)檢測(cè)人類、動(dòng)物和微生物方面的實(shí)用性。

總結(jié)

????????本研究結(jié)果表明，從環(huán)境當(dāng)中可以很容易獲得人類的eDNA，并且這些eDNA的完整性與高品質(zhì)足以進(jìn)行分析和測(cè)序，可用于識(shí)別與疾病相關(guān)的變異，并確定生活在這些地區(qū)的人的遺傳來(lái)源。然而，檢測(cè)人類eDNA可能會(huì)對(duì)個(gè)人信息安全造成威脅。因此，研究人員建議，為了適當(dāng)?shù)貞?yīng)用eDNA技術(shù)和處理這些信息的道德問(wèn)題，決策者、科學(xué)界和其他相關(guān)利益方需要小心謹(jǐn)慎，并對(duì)在倫理上如何處理人類eDNA展開(kāi)更深入的討論。

參考文獻(xiàn)
Inadvertent human genomic bycatch and intentional capture raise beneficial applications and ethical concerns with environmental DNA. Nature Ecology & Evolution, 2023.