2013年6月，哈佛医学院的尚多尔·什皮沙克（Sandor Spisak）带领的匈牙利团队在《公共科学图书馆·综合》（PLOS ONE）上发表了一篇论文[1]，称在千余人血液样本的测序结果中检测到了食物作物的叶绿体DNA序列，并认为这些DNA通过某种不明机制进入了人体。该结果面世后便迅速在社交媒体上传播开来：如果土豆和番茄的DNA能够混入我们的血液，我们的健康会受到它们影响吗？针对该研究的结论，科学界提出了不少质疑。
近日，密歇根大学的博士后理查德·勒斯克（Richard Lusk）博士通过缜密的数据分析说明，造成这些现象的更有可能是样品污染，而什皮沙克文中“机制不明”的含糊也进一步削弱了结论的可靠性。有趣的是，勒斯克的分析论文同样发表在了《PLOS ONE》上[2]。
在接受果壳网科学人采访时，勒斯克介绍说：“我做了几轮预测试，发现至少低水平的污染非常普遍。”勒斯克是如何推断出食物DNA更可能来自污染的呢？
DNA污染，想说再见不容易
最近半世纪，DNA测序技术经历了突跃——以测定人类基因组为例，从最开始预期的多国倾力数十年才够，到如今只用一台仪器数天便能完成，仪器的速度和灵敏度都大大提高了。第三代测序仪灵敏至能够识别溶液中的每一个DNA分子——这也意味着，来自环境中DNA的污染将不再可忽略。“简单说来，DNA的化学特性相当稳定，基本所有生物都会大量产生它——这也是为什么DNA在环境中惊人的普遍。隔绝（来自环境的DNA）污染是非常困难的。”勒斯克向果壳网科学人解释道。
最需要隔绝环境中无关DNA的领域莫过于分子古生物学了——研究者们需要从有限的化石样本中提取仅存不多的DNA短片段并测序。所有与化石相关的工作在近乎严苛的净室中进行，接触化石的人员得尽量少，甚至提取DNA的实验人员也被要求减少进出或与他人接触……这一切，都是为了尽量不在结果中掺入杂质。在低浓度目标DNA面前，任何外来的DNA都有可能喧宾夺主。
“我认识研究古DNA的人，从他们那了解到避免样品污染极为困难——当样品浓度低或有降解时，这确实是个不容忽视的问题，”勒斯克对果壳网科学人说。“什皮沙克那项研究里有些惊人的结果是从非常稀释的样品中得到的——我觉得这值得检查一番。”
挖掘数据，探测污染
在样品污染问题，部分棘手之处在于目前没有“标准”操作规范。污染几乎不可能被完全避免——那需要许多超乎大部分分子生物学实验室能力范围内的人力和设备。勒斯克告诉果壳网科学人：“所以，比起隔绝污染，人们通常会，或更愿意去，制备‘空白’样品与真实样品对照。这些空白对照只由缓冲液和水组成，能够至少反映出许多仪器上或试剂中可能存在的DNA。如果这些DNA在真实样品中也出现了，我们能推断它们多半只是污染。”
“重要的是，尽管什皮沙克等人的实验操作很谨慎，他们并没有采取这项措施。”没有空白样品作背景噪音的参照，判断哪些序列来自样本之外似乎不可能。但勒斯克细心调查了什皮沙克的原始数据，并从中看出了端倪。
勒斯克表示，他在检查这篇论文的原始数据时确实发现了食物的DNA。但他同时也在数据中找到了的本不应该出现在样品中的其他DNA，比如引起痘痘的痤疮丙酸杆菌（Propionibacterium acnes）和引起头屑的球形马拉色菌（Malassezia globusa）的DNA片段。利用相同的分析方法，勒斯克对比了什皮沙克研究中作为证据的，与西红柿叶绿体基因组相匹配的DNA片段的量，与原始数据中其他污染的相对丰度。
外周血游离DNA中来自四种不同物种的DNA测序片段出现的频率。什皮沙克在研究中用与叶绿体基因组匹配的测序片段作为食物DNA进入血流的证据，其中以西红柿（S. lycopersicum）的叶绿体DNA最为常见。但勒斯克用相同的分析方法检验了测序数据与其他三种生物的DNA的匹配情况，也发现了来自痤疮丙酸杆菌（P. acnes）、球形马拉色菌（M. globusa）和大肠杆菌（E. coli）的测序片段。图片来源：Richard Lusk
勒斯克指出，这意味着这个样品中至少有一些DNA是从外界污染中来的。其中一种可能，便是实验者在处理样品时摸了脸或者挠了头——又或者，吃了东西——不小心向样品中引入了外源DNA。
但发现细菌DNA并不足以说明样品中的食物DNA也更可能来自污染。勒斯克进一步检查了另外四项大通量测序的实验数据，包括对肿瘤细胞和精子的单细胞测序——这些样品中目的DNA的浓度同样十分低，因而污染更容易被放大。
“尽管我确实在什皮沙克的数据里找到了其它微生物的DNA，但事实上，我认为在其他结果中的分析才更重要。”勒斯克对果壳网科学人说。这些实验的原始数据源自经过清洗的单个肿瘤细胞或精子细胞的基因组——换言之，这些测序数据中应该只含有细胞本身的DNA。然而，勒斯克还是在数据发现了多种生物的DNA，当然，也包括食物的。
“在显然接触不到食物的样品中，我们仍发现了什皮沙克那样的数据。比方说，我检查了不同单个肿瘤细胞的数据——这些细胞被测序前已经从组织中分离了——但也发现了什皮沙克等人发现的食物DNA分布。”勒斯克说，比如从同一块肿瘤组织里分离出的两个细胞，测序结果中却出现其中一个含有大豆的DNA，另一个却含有玉米的DNA。
“这些DNA不太可能通过污染之外的其他途径进入样品的。”勒斯克总结道。
同一块肿瘤组织中的100个细胞的测序结果里，来自不同植物物种的DNA的分布各异。图中每纵条色块代表来自一个细胞的数据，依次横向排开；颜色越亮，所对应的DNA片段读出越多。各行对应的植物依次是赫蕉、蜂巢姜、生菜、橙子、芝麻、大麦、小麦、番茄、大豆、红橡，以及栗子。图片来源：Richard Lusk
不断改进，方能接近真相
当然，勒斯克的研究也并没有证明“食物中的DNA一定不能进入人体血液”。
“我不能证明什皮沙克观察到的DNA序列并不来自食物。”勒斯克保持着一贯的严谨，他对果壳网科学人说：“但我确实表明了，有另一种研究结果能够解释什皮沙克所得的所有研究结果，而且那种情况发生的可能性更高。”
果壳网科学人同时也采访了什皮沙克本人。“生物大分子可以有许多方式进入人体，”在我们问到食物DNA可能进入血液的途径时，什皮沙克说，“虽然我们的研究中并没有关于机制的具体信息，但其他的研究已经表明了DNA能够穿过胎盘——人们先前也一直认为这样的组织屏障是无法被穿透的。”
提及勒斯克的研究，什皮沙克对果壳网科学人表示：“我们也在这套数据中发现了细菌和病毒的基因组信息，但它们的存在并不能证伪我们的结果。就算是勒斯克提到的痤疮丙酸杆菌，它们可以生活在离皮肤表面很远的毛囊深处，目前也没证据表明它们或它们的DNA不能进入血液。真的，先前有过痤疮丙酸杆菌感染心脏瓣膜或者关节的案例。”
他表示，勒斯克为他们的（和其他研究者的）实验结果给出了可能的另一种解释，能有其他研究者关注这个现象，并用他们的数据进行深入分析，他感到很欣慰。什皮沙克告诉果壳网科学人：“相冲突的观点能推动科学发展。不过，我们认为，只有进一步的实验才能带来真正的新理解。”
“这并不容易。”面对原作者的回应，勒斯克评价道，“首先，我们需要空白阴性对照。其次，许多后续实验也都值得一试——也许可以用小鼠，改变它的食谱，然后检测血液样本中的DNA变化。当然，这项实验也需要十分谨慎地操作，因为饲料的改变可能向皮肤引入大量的潜在污染——这些污染又会再次混入数据，造成假阳性结果。”
什皮沙克一年前的论文公布至今已经在社交网络上有了数千次转载，而其中大部分都带有对这些外来DNA的潜在担忧——他的结果被反对转基因的人群引为“论据”。不少人试图将类似的研究结果理解为，既然食物的核酸能进入人体发挥功能，改变它们的基因就一定会对人体有害——可这个逻辑跳跃的前提是，转基因要能够改变这些功能产物，而这些改变要能够产生负面影响——这其中任一项都没有被证实。
“我起初想分析这些，不仅因为觉得他们没有证据支持自己结论，”勒斯克告诉科学人，“还因为我觉得这样的研究结果可能会触发公众恐慌——事实上它也的确发生了。” 他在论文中指出，他希望大家对一些在测序数据中发现外源生物的数据就下结论的争议性研究引起注意，并强调空白阴性对照的重要性。
“我并不想过度深入地涉及转基因的争论，”勒斯克对果壳网科学人说，“不过作为一个遗传学家，我不认为现在有任何理由能说明转基因作物从遗传上不如传统育种的作物安全，目前也已经有详尽的研究证实了我的观点。”
什皮沙克则表示:“我不是转基因专家，所以不太能评论这个问题。”（编辑：Calo）
参考文献：
- Spisák S, Solymosi N, Ittzés P, Bodor A, Kondor D, et al. (2013) Complete Genes May Pass from Food to Human Blood. PLoS ONE 8(7): e69805.
- Lusk RW (2014) Diverse and Widespread Contamination Evident in the Unmapped Depths of High Throughput Sequencing Data. PLoS ONE 9(10): e110808.