由藏族人“高原適應(yīng)基因”揭秘多地域基因交流

金鑫　黃妙珍

藏族人有多項異于平原地區(qū)人種的生理特征，使之能夠適應(yīng)高原的低氧與高日曬環(huán)境。來自深圳華大基因研究院等機構(gòu)的科學(xué)家不僅發(fā)現(xiàn)可能在高原適應(yīng)中起關(guān)鍵作用的EPAS1基因，還發(fā)現(xiàn)此基因可能來自古丹尼索瓦人或其近親，為人類進化的多地域基因交流觀點提供了數(shù)據(jù)支持。

人類的全球擴張被認為與氣候變化有關(guān)。世界上絕大多數(shù)人居住于氣候溫和、降水較多的平原與盆地，而空氣稀薄的高山高原、干旱的荒漠、寒冷的極地等不適宜大量人口長期居住?？墒窃谑澜缙骄０巫罡摺⒈环Q作“世界屋脊”的青藏高原，居住著我國一個最古老的民族——藏族，他們被視為世界上最適應(yīng)高原缺氧環(huán)境的民族。據(jù)考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)，早在四千多年前的雅魯藏布江流域就有藏族人祖先過著群居狩獵的生活。在漫長歲月中，為何藏族人能夠適應(yīng)高原惡劣氣候并且繁衍不息？科學(xué)家運用新興技術(shù)手段進行了研究，結(jié)果提示，藏族人的高原適應(yīng)性有著基因型的基礎(chǔ)，相關(guān)基因可能來自古人類不同種群之間的多地域基因交流。

藏族人在高原適應(yīng)上的生理優(yōu)勢

初到青藏高原者會出現(xiàn)頭痛、惡心、食欲減退、疲倦、呼吸困難等癥狀，即所謂“高原反應(yīng)”。通常情況下，發(fā)生高原反應(yīng)的可能性是老年人低于青年人、女性低于男性。多數(shù)人在12-36小時內(nèi)獲得充分適應(yīng)后，癥狀會自然減輕或消失，但嚴重者還得服用藥物才能緩解，更嚴重者會有其他危險后果，包括危及生命。相比之下，長年生活于海拔高、空氣稀薄、氧含量低地域的藏族人，卻大多沒有這些癥狀。

除了高原反應(yīng)，“高原紅”也是可以區(qū)分漢族人和藏族人的一個明顯特征：藏族人面部有片狀或團塊狀紅色斑塊，這是由于周圍氣候環(huán)境造成面部皮膚角質(zhì)層過薄，毛細血管擴張在表面顯露，從而面部出現(xiàn)紅血絲所致。

彼埃羅（D.Biello）等人2007年的研究表明，藏族人的動脈和毛細血管更粗，能為肌肉和器官輸送更多的氧。盡管生活在極度缺氧的高原，但藏族人日常消耗的氧與平原生活的居民相當，血流速度是平原人兩倍。為什么只有藏族人獲得上述特殊的身體功能，這種適應(yīng)性究竟來源于何處？

遺傳學(xué)、考古學(xué)、語言學(xué)等多學(xué)科交叉的大量研究成果表明：漢族和藏族有著共同的遠祖，并且西藏多處史前文化與同期華夏文化存在著密切聯(lián)系。但是，為什么藏族人少有高原反應(yīng)？為什么他們的膚質(zhì)和漢族人有這么大差異，而這些差異對高原適應(yīng)性有何影響？通過了解藏族人為何適應(yīng)高原反應(yīng)，或許能從某種程度上揭示藏族人種的演化過程，并為預(yù)防和治療高原缺氧性疾病找到某些有價值的提示。

利用基因技術(shù)探尋高原適應(yīng)機制

我們都知道，生物性狀的表達是由基因調(diào)控的，那么藏族人身上是否會有“高原適應(yīng)基因”，使得他們具有耐受高原低氧、高日曬的身體素質(zhì)呢？科學(xué)家們想到了通過基因組測序來深入研究藏族人的DNA。利用基因組測序平臺，能從血液或唾液樣本中分析測定基因組全序列，經(jīng)過多個物種之間的基因組序列比對，即可構(gòu)建物種進化的圖譜。最早在2007年，比爾（C.M.Beall）就提出運用分子生物學(xué)和基因組技術(shù)分析高原藏族人的基因組。

2009年，比格姆（A.W.Bigham）等人對安第斯山印第安人進行了基于基因芯片技術(shù)的全基因組關(guān)聯(lián)研究（genome wide association study，GWAS）。這是一種在全基因組層面上針對基因與體質(zhì)特點關(guān)聯(lián)問題開展的多中心、大樣本、反復(fù)驗證的研究。它通過對大規(guī)模群體的DNA樣本進行全基因組高密度遺傳標記分型。尋找并全面揭示與體質(zhì)特點相關(guān)的遺傳基因。

比格姆等人對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果揭示了該族群的“缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor，HIF）信號通路”中一系列相關(guān)的基因可能在高原適應(yīng)性中起了重要作用。HIF類基因普遍存在于人和哺乳動物細胞內(nèi)，在正常氧濃度下亦有表達，但合成的蛋白質(zhì)分子很快被細胞內(nèi)氧依賴性泛素蛋白酶降解途徑所降解，只有在缺氧條件下才得以穩(wěn)定表達。HIF對維持低氧環(huán)境下細胞的能量代謝、生長、增殖等起重要作用，是低氧誘導(dǎo)的關(guān)鍵信號分子，與機體適應(yīng)高原環(huán)境有密切關(guān)系。HIF信號通路的相關(guān)基因一直都是高原研究的熱點。

另外，外顯子測序技術(shù)的進步也為藏族人高原適應(yīng)性遺傳機制的研究奠定了堅實基礎(chǔ)。所謂外顯子（exon）是真核生物基因的一部分，包含著合成蛋白質(zhì)所需的信息。全部外顯子稱為“外顯子組”（exome）。外顯子組測序（exome sequencing）是指利用序列捕獲技術(shù)捕捉全基因組外顯子區(qū)域的DNA并加以富集后進行高通量測序的基因組分析方法。外顯子組測序只需針對外顯子區(qū)域的DNA即可，遠比進行全基因組測序來得簡便、經(jīng)濟、高效，其目標區(qū)域覆蓋度也更高，便于變異檢測。

對藏族人群高原適應(yīng)的基因組測序研究

來自深圳華大基因研究院、加利福尼亞大學(xué)以及華南理工大學(xué)等研究機構(gòu)的科學(xué)家們，在2010年就發(fā)起和主導(dǎo)了對50名藏族人的全基岡組外顯子測序及數(shù)據(jù)分析，成果發(fā)表于美國《科學(xué)》周刊上。其研究對象包括世居青藏高原的藏族人群、低海拔漢族人群以及丹麥的高加索人群。研究者對他們的外顯子進行了測序，獲得了針對將近兩萬個基因的外顯子和側(cè)翼區(qū)的34Mb（百萬堿基對）序列，其中包含了92%的人類基因編碼序列，人均覆蓋度為18倍。

對測序基因的分析顯示，有一系列基因在藏族人群的高原適應(yīng)中發(fā)揮了作用，其中藏族人群特有的EPAS1基因型可能尤其關(guān)鍵。此基因是HIF通路中的重要基因，在人體應(yīng)對低氧環(huán)境的細胞生化調(diào)節(jié)通路中起核心作用。87%以上的藏族人攜帶該基因型，而漢族人的攜帶比率僅9%。為進一步揭示其機制，研究者基于此基因型進行了關(guān)聯(lián)性分析，從與紅細胞數(shù)量相關(guān)的單核苷酸多態(tài)性（SNP，指在基因組水平上由單個核苷酸變異所引起的DNA序列多態(tài)性）差異能夠看出，EPAS1基因型與藏族人群的血紅蛋白濃度有關(guān)，進一步佐證了該基因型與藏族人高原適應(yīng)性的相關(guān)性。

那么，藏族人是怎樣獲得如此特殊的EPAS1基因型的呢？經(jīng)典的遺傳學(xué)理論認為，該基因型之所以在高海拔地區(qū)藏族人中間廣泛存在，有兩種較大的可能，一是其祖先人群中本身就存在有利于高原適應(yīng)的低頻突變，在移居高原后經(jīng)過強力的自然選擇而擴散開來：二是在移居高原后產(chǎn)生新發(fā)突變，其中包括有利于高原適應(yīng)的基因型，進而在自然選擇的作用力下擴散到整個人群。但奇怪的是，通過分析藏族人群的基因組測序數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)真實數(shù)據(jù)的分布情況與上述兩種理論推定的數(shù)據(jù)分布特征都存在差異，難以用這兩種理論進行解釋?？紤]到大部分藏族人所攜帶的特殊EPAS1基因型在漢族人中只以極低的頻率存在，在其他已知的亞歐非主要人群中頻率都為零，這種極端差異的數(shù)據(jù)特征更像是來源于跨種群的基因交流，且該種群與現(xiàn)存人類有較大差異。如此的可能性果然存在嗎？

藏族人的EPAS1基因可能來自丹尼索瓦人

為探尋藏族人高原適應(yīng)性基因的奧秘，深圳華大基因研究院在原有基礎(chǔ)上進行了不懈的群體基因遺傳學(xué)研究，并聯(lián)合加利福尼亞大學(xué)以及華南理工大學(xué)等研究機構(gòu)組成團隊，共同進行探索。終于在2014年的英國《自然》周刊上再次發(fā)表了關(guān)于藏族人高原適應(yīng)性研究的重要成果。研究者們通過對世居青藏高原的藏族人群和低海拔漢族人群進行基因組重測序研究和比對，發(fā)現(xiàn)藏族人很可能有生活在上一冰川時期的古人類種群——丹尼索瓦人（Denisovans）或其近親的基因滲入。

2010年，在南西伯利亞阿爾泰山中的丹尼索瓦洞穴里發(fā)現(xiàn)了丹尼索瓦人化石。科學(xué)家利用挖掘出的某根指骨中的碎塊以及2顆磨牙，通過基因組測序技術(shù)獲得了較完整的測序數(shù)據(jù)。在將丹尼索瓦人基因組與全世界各地幾種現(xiàn)代人的基因組進行比較之后發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)生亞洲和南美洲人群中所發(fā)現(xiàn)的丹尼索瓦人基因比率，要高于歐洲人群。更令人驚奇的是，藏族人的EPAS1基因幾乎與丹尼索瓦人的相應(yīng)基因完全吻合，而與其他人種則差異巨大。較之來源于已知突變或新發(fā)突變，其數(shù)據(jù)特征與真實數(shù)據(jù)更加吻合，據(jù)此似可推測，現(xiàn)代人類在走出非洲以后，很可能先在歐亞大陸與丹尼索瓦人發(fā)生了基因交流，隨后才進入中國，這部分人的后裔可能仍然保有少量的丹尼索瓦人基因片段。他們中有一部分人走向平原地帶，成長為今天漢族人的祖先，而漸漸丟失了特有的EPAS1基因型：另一部分人則留在青藏高原，由于擁有特別的EPAS1基因型而適應(yīng)了高原的惡劣環(huán)境，并逐漸擴散至整個青藏高原，成為今天藏族人的祖先。

通過對越來越多不同人類族群的DNA，包括對存在于化石中的古人DNA進行基因組測序和分析，并繪制進化圖譜，有可能發(fā)現(xiàn)更多的證據(jù)，支持現(xiàn)代人的祖先曾與丹尼索瓦人、尼安德特人（Homo neanderthalensis）等古人類之間有過基因交流。而在藏族人中發(fā)現(xiàn)丹尼索瓦人的基因片段也在一定程度上說明了，現(xiàn)代人對極端環(huán)境的快速適應(yīng)，很可能得益于跟適應(yīng)了有關(guān)環(huán)境的其他古人類之間的基因交流，這種基因交流可能通過與其他種族通婚而獲得。在現(xiàn)代人的遺傳基因中能找到已滅絕親族的很多印記，為我們更好地理解類似的快速進化事件提供了新的思路。

基因技術(shù)的發(fā)展促進人類進化研究

“古DNA解密現(xiàn)代人起源”被美國《科學(xué)》周刊評選為2014年度十大科學(xué)事件之一。其中以中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所為第一完成單位的一項重大成果是這項進展的核心部分。中國科學(xué)院的研究人員利用古DNA測序技術(shù)，對西伯利亞西南部額爾齊斯河岸距今約4.5萬年前的一塊幾近完整的人類股骨化石進行了高通量基因組測序，其深度42倍的全基因組數(shù)據(jù)的質(zhì)量甚至可與現(xiàn)代基因組相媲美。

利用基因科技分析古生物化石、生物遺體、遺跡及沉積物獲得古代生物信息，是近些年興起的研究熱點?？茖W(xué)家在探索古DNA秘密的過程中主要遇到以下兩個難點：受埋藏環(huán)境影響，來源于化石材料、生物殘骸等的古DNA不僅含量極微而且多已被分解成片斷。另外受保存環(huán)境或者運輸條件影響，很可能會引入污染。隨著基因科技的發(fā)展，現(xiàn)在有越來越多的商業(yè)試劑盒能提高DNA的提取率。同時PCR擴增技術(shù)和引物合成技術(shù)的發(fā)展，也提高了古DNA的數(shù)量和質(zhì)量。此外從桑格雙脫氧鏈終止法、焦磷酸測序法、Solexa合成測序法、SOLiD測序法到近幾年興起的單分子測序，測序技術(shù)的進步也促進了古人類基因組的探索，有利于更加精確地描繪古人類基因組草圖。

研究現(xiàn)代人和古人類基因組的分子遺傳變異模式，已被證明是了解人類進化和起源的一個強大方法。DNA測序技術(shù)的快速進步，讓我們掌握了越來越多的古人類基因組的特征信息，使我們得以利用更復(fù)雜的統(tǒng)計學(xué)和生理生化學(xué)方法來研究甚至重現(xiàn)遠古人類的生活面貌及進化軌跡。通過基因技術(shù)的研究手段，我們能夠更好地了解遠古人到現(xiàn)代人的進化模式及人類不斷適應(yīng)環(huán)境的能力在基因水平上的演化。

多地域基因交流促進人類基因組進化

“我從哪里來？”這是從人類誕生起就被不斷追問至今的問題，鞭策著人類用各種手段去找尋先祖的足跡，也不斷審視自身的發(fā)展及變化。通過探索與挖掘，考古學(xué)家找到了許多古人類化石，并利用基因科技提取其DNA進行了測序分析和比對，發(fā)現(xiàn)了許多新的進化淵源。

近若干年來，除了發(fā)現(xiàn)藏族人高原適應(yīng)基因可能來源于丹尼索瓦人之外，還有數(shù)項研究證實，當今生活在亞洲大陸的現(xiàn)代人和美洲原住民中約含有0.2%的丹尼索瓦人基因片段，而這一比例在馬來西亞當?shù)厝巳褐懈哌_4%-6%，意味著丹尼索瓦人可能曾經(jīng)廣泛分布于整個亞洲大陸。

除了丹尼索瓦人，尼安德特人也是古人類研究之熱點。尼安德特人是一群生存于舊石器時代的史前人類，因其遺跡于1856年首先在德國尼安德特河谷被發(fā)現(xiàn)而得名。考古學(xué)研究證明，尼安德特人曾廣泛分布于歐洲大陸，其遺跡從中東到英國，再往南延伸到地中海北端。并遠至西伯利亞都有發(fā)現(xiàn)。他們與現(xiàn)代人的關(guān)系是個未解之謎，2010年前的研究大多認為他們的基因不太可能與現(xiàn)代人融合，但也有少數(shù)研究顯示有此可能。2010年發(fā)表的一項遺傳學(xué)研究指出，在對比尼安德特人和五個分別來自中國、法國、巴布亞新幾內(nèi)亞、西非洲及南非洲的現(xiàn)代人基因組樣本后，發(fā)現(xiàn)非洲以外大多數(shù)現(xiàn)代人（包括歐洲、亞洲、美洲及大洋洲人）的基因組有至少1%-4%源自尼安德特人，而這是撒哈拉沙漠以南的非洲現(xiàn)代人所沒有的。

由于東亞人及東南亞人，包括巴布亞民族、美洲原住民都攜帶尼安德特人基因片段，但在歐洲及中東以外的地區(qū)都未再發(fā)現(xiàn)尼安德特人遺跡，因此該研究的科學(xué)家推斷，智人走出非洲時在中東一帶與尼安德特人相遇，并發(fā)生小規(guī)模的基因融合，然后才遷移到世界各地，所以非洲以外的現(xiàn)代人都攜有這部分基因。

近日，中科院古脊椎動物與古人類研究所的研究人員在《自然》周刊上撰文指出，現(xiàn)代人類祖先曾與尼安德特人“混血”。研究人員對2002年在羅馬尼亞一處洞穴中發(fā)現(xiàn)的被認為是在歐洲發(fā)現(xiàn)最早有直接測年的早期現(xiàn)代人骨骼Oase 1進行了有目的性的大區(qū)域核DNA富集實驗。測序結(jié)果表明，這個約4萬年前的歐洲現(xiàn)代人含有6%-9%左右的尼安德特人基因。數(shù)據(jù)分析表明：與尼安德特人的“混血”發(fā)生在Oase 1的4-6代祖先，也就是說他的曾曾曾祖父母中可能有一個就是尼安德特人。研究者猜測，Oase 1所屬群體與歐亞大陸的共同祖先或為同祖。

更有意思的是，就在發(fā)現(xiàn)丹尼索瓦人的山洞中，也曾發(fā)現(xiàn)尼安德特人祖先與現(xiàn)代人祖先生活過的痕跡。基因數(shù)據(jù)也證實，從同一山洞發(fā)現(xiàn)的尼安德特人化石中提取的DNA，其中源自丹尼索瓦人的基因片段高達17%，而且還有證據(jù)顯示，有來自這兩個人種之外的其他未知古人的基因滲入。所有證據(jù)均顯示，上古時期各種古人類之間的基因交流遠比想象中的復(fù)雜，幾乎每個現(xiàn)代人身上都有來自遠古人類的“遺跡”。

以上通過古DNA的測序和研究來挖掘古人類及現(xiàn)代人的演化信息，已成為考古研究之重要手段。由測序大數(shù)據(jù)提供的進化線索猶如人類進化地圖上的若干地標，引導(dǎo)我們在新的探索領(lǐng)域里描圈畫線，逐步勾勒出人類發(fā)展演化的軌跡，從而令我們更加深刻地認識到，多地域的基因交流能夠促進人類的基因進化。

關(guān)鍵詞：藏族 基因組測序 高原適應(yīng)性 丹尼索瓦人 基因交流 進化