古基因組學(xué)與人類起源演化的研究進(jìn)展
——2022年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎解讀

吉植，王傳超②?

①廈門大學(xué) 社會與人類學(xué)院，福建 廈門 361005；②廈門大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院細(xì)胞應(yīng)激生物學(xué)國家重點實驗室，福建 廈門 361102

北京時間2022年10月3日，瑞典生物學(xué)家、進(jìn)化遺傳學(xué)家斯萬特·帕博(Svante P??bo)成為最新的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的獲獎?wù)摺Ｋ谷f特·帕博帶領(lǐng)團(tuán)隊測序了已滅絕的古人類——尼安德特人(尼人)和丹尼索瓦人的基因組，發(fā)現(xiàn)這些已滅絕的古人類與現(xiàn)代人的祖先存在基因交流，非洲以外的現(xiàn)代人群都帶有古人類的基因?，F(xiàn)代人基因組中的古人類基因遺存有些是具有生理學(xué)意義的，例如，來自古人類的基因可能會影響現(xiàn)代人免疫系統(tǒng)面對感染時的反應(yīng)。諾貝爾獎委員會表示通過揭示現(xiàn)代人與已滅絕的古人類在基因方面的差異，帕博的發(fā)現(xiàn)提供了探索人類獨特性的基礎(chǔ)。

古DNA研究是以分子生物學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一個跨學(xué)科領(lǐng)域，通過結(jié)合考古學(xué)、歷史學(xué)、語言學(xué)和古生物學(xué)等知識，分析古代生物的譜系、分子演化理論、人類的起源和遷徙、動植物的家養(yǎng)和馴化過程等。人類的DNA由30多億對堿基組成，每一代人身上都會有一些堿基發(fā)生改變，叫基因突變，而有些突變會對一些性狀產(chǎn)生影響。根據(jù)某些突變在人群中的分布和突變速率，我們可以了解人群擴(kuò)張、縮減、分裂和融合等事件的歷史情況，包括這些事件發(fā)生的大致時間[1]。研究古人類DNA可以幫助我們厘清人群之間的親緣關(guān)系，以及具體基因的演化過程。這有助于我們了解現(xiàn)代人類一些表型特征的出現(xiàn)時間，進(jìn)而推測當(dāng)時的演化環(huán)境和自然選擇條件，是探索人類演化背后動力和機(jī)制的重要一環(huán)。

研究幾千甚至數(shù)萬年前古人類的基因是一項充滿挑戰(zhàn)的任務(wù)。DNA極易隨時間發(fā)生降解和化學(xué)修飾等現(xiàn)象，前者會使DNA片段變短，后者甚至?xí)淖兓虻膲A基序列。另外，來自細(xì)菌和現(xiàn)代人類DNA的污染也是一個令人頭疼的問題，有時污染的比例可能高達(dá)99.9%。帕博的部分研究與如何解決這些技術(shù)方面的問題有關(guān)[2-6]。他和團(tuán)隊制定了一系列的實驗規(guī)范與流程，包括“超凈室”的使用等。本文將從帕博對古DNA技術(shù)方法的探索、他的團(tuán)隊關(guān)于尼人和丹尼索瓦人的重要研究及發(fā)現(xiàn)、古基因組學(xué)的發(fā)展歷程和最新進(jìn)展等方面進(jìn)行綜述。

1 帕博與早期古DNA研究

斯萬特·帕博1955年出生于瑞典的斯德哥爾摩，1997年成為新成立的馬克斯·普朗克進(jìn)化人類學(xué)研究所的5個負(fù)責(zé)人之一，并在那里一直工作至今。1985年，還是博士生的帕博在Nature上發(fā)表了一篇用分子克隆法研究埃及木乃伊DNA的文章。當(dāng)時，30歲的帕博從一具2 400年前的木乃伊表層組織上提取到了一些古DNA片段。這些克隆出的古DNA片段長短不一，大部分只有不到500 bp(base pairs)，但小部分超過了5 000 bp，克隆后甚至出現(xiàn)長達(dá)3.4 kb的片段[7]。根據(jù)我們今天對古DNA片段的了解，過長的片段很可能是由污染造成的[8-9]，但這并不影響帕博的這次嘗試對于古DNA研究的重要性。在這項研究中，帕博將分子克隆技術(shù)完整地應(yīng)用到古DNA上，成為將DNA技術(shù)應(yīng)用于考古人類學(xué)的先行者。這篇文章的最后，帕博還提出古DNA研究可以幫助人們回答人群或個體親緣關(guān)系問題這一遠(yuǎn)見。

當(dāng)時帕博使用的分子克隆法是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一項技術(shù)，它可以幫助研究者分離和研究特定的基因片段[10]。不過這種DNA片段擴(kuò)增的方法也有一些不足之處。分子克隆需要在活的組織內(nèi)進(jìn)行，且克隆結(jié)束后要對結(jié)果進(jìn)行篩查才能獲得最終需要的重組DNA。另外，這項技術(shù)需要特定的限制性內(nèi)切酶將DNA切割成研究所需的片段。同時，完成一次分子克隆實驗往往需要2～4天。

20世紀(jì)80年代發(fā)展出另一種擴(kuò)增DNA片段的技術(shù)——聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng) (polymerase chain reaction, PCR)。至今這項技術(shù)仍在遺傳學(xué)研究中起著至關(guān)重要的作用。樣本保存情況不理想或樣本量過少，都有可能導(dǎo)致沒有足夠量的DNA進(jìn)行后續(xù)研究。PCR可以快速、大量地復(fù)制DNA片段，只需幾納克DNA就能實現(xiàn)擴(kuò)增，在一定程度上降低了古DNA研究的門檻。PCR用控制溫度來控制DNA的變性(雙鏈變單鏈)和復(fù)性(單鏈變雙鏈)，并通過加入引物、聚合酶和脫氧核糖核酸實現(xiàn)DNA片段的不斷復(fù)制[11]。這項技術(shù)的發(fā)明者Kary Mullis因此獲得1993年諾貝爾化學(xué)獎。

帕博緊跟科學(xué)技術(shù)發(fā)展前沿，在1988年就利用PCR技術(shù)從7 000年前的腦組織中測序到古人類的線粒體DNA(mtDNA)片段[12]。帕博發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)代人類的DNA不同，可以成功擴(kuò)增的古DNA片段都不超過200 bp。在這篇文章中，帕博特別提到可以通過片段的長短來區(qū)分古人類和現(xiàn)代人類DNA，以及使用個體不同位置的組織進(jìn)行實驗等方法來控制古DNA實驗中可能來自其他個體的污染。此后幾年里，帕博和其他研究者將古DNA的研究方法應(yīng)用到哺乳動物上，并在這些研究中不斷完善以PCR為核心的古DNA研究技術(shù)[13-15]。

2 mtDNA研究

隨著古DNA研究技術(shù)的不斷成熟，越來越多研究者開始利用古人類和現(xiàn)代人類的DNA來研究人類起源和擴(kuò)散問題。研究發(fā)現(xiàn)非洲人群擁有很多其他地區(qū)沒有的mtDNA單倍群[16]。非洲人群mtDNA序列的多樣性是非洲以外人群的兩倍之多，這表明非洲人群可能有著更長的遺傳歷史[17-18]。根據(jù)DNA多態(tài)性和全線粒體DNA序列建立的譜系樹也支持現(xiàn)代人類的晚近非洲起源這一觀點[17,19]。Cann、Stoneking和Wilson在1987年發(fā)表在Nature上的文章表明現(xiàn)代人類的mtDNA可以追溯到約20萬年前的一位非洲女性身上[20]，這一發(fā)現(xiàn)后來被稱為“夏娃理論”。說到現(xiàn)代人類的祖先就不得不提尼人，尼人是一群在30萬～3萬年前生活在歐洲和西亞的古人類。尼人與現(xiàn)代人的祖先生活過的時空是有重合的，相較于猿類，尼人與現(xiàn)代人是更晚才分化開的。研究尼人有助于我們了解現(xiàn)代人類在與猿類分離之后，最近的幾十萬年中演化出了哪些新的特征。對人類起源問題和考古發(fā)現(xiàn)的關(guān)注讓帕博將注意力放到尼人身上。

帕博和他的團(tuán)隊在對比了現(xiàn)代人類和尼人的mtDNA序列后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代人類之間在mtDNA高變I區(qū)(hypervariable region I)的堿基突變平均差異為(8±3)個，而現(xiàn)代人和尼人在這一區(qū)間的平均堿基突變差異達(dá)到(27±2)個[21]。雖然這個數(shù)字要遠(yuǎn)小于人類和黑猩猩之間的平均差異，但是也說明了尼人與現(xiàn)代人類的遺傳距離較遠(yuǎn)。同時，遺傳譜系樹和基于形態(tài)學(xué)的觀察也支持這一結(jié)論[22]。根據(jù)計算，現(xiàn)代人類最近的共同祖先出現(xiàn)在12萬～15萬年前[20]，而現(xiàn)代人和尼人的共祖時間要早于50萬年前[21,23]。這表明尼人不是現(xiàn)代人的一支，他們與現(xiàn)代人分離的時間要遠(yuǎn)早于現(xiàn)代人類內(nèi)部分化的時間。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)尼人之間的mtDNA序列十分相似，但是在約25 000年前的現(xiàn)代人mtDNA序列中找不到這些尼人的序列[24]。這進(jìn)一步說明尼人沒有與現(xiàn)代人進(jìn)行大規(guī)模的融合，但不能完全排除少量融合的可能性。如果想完全排除融合的可能性就需要非常大量的古人類樣本[25]。

對于mtDNA的研究開始只局限于控制區(qū)(D-loop)，這一區(qū)域長度占mtDNA長度的不到7%[17]，但是高通量測序的出現(xiàn)改變了這一局面。比起傳統(tǒng)的Sanger末端終止測序法，基于大規(guī)模平行測序的第二代高通量測序法將DNA分子打斷成更短的片段，可以通過邊合成邊測序的方法一次性對數(shù)百萬個片段進(jìn)行測序。高通量測序法也大大降低了實驗成本，使得對尼人mtDNA全序列和核基因組測序成為可能。根據(jù)尼人mtDNA全序列得出的結(jié)論表明他們與現(xiàn)代人的分化時間約為66萬年，與此前研究得出的結(jié)論基本一致[26]。在尼人mtDNA的13個編碼蛋白質(zhì)的基因中，研究者發(fā)現(xiàn)了更高的非同義突變比例，這可能與尼人的有效人口規(guī)模更小有關(guān)[26]。非同義突變多數(shù)是有害的。由于在規(guī)模較小的群體里遺傳時的抽樣誤差更大，也就是說自然選擇的效力更弱而遺傳漂變的效力更強(qiáng)，因此輕微有害突變更有可能因隨機(jī)事件被固定下來[27-29]。對5個尼人mtDNA全序列的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，他們的mtDNA多樣性只有現(xiàn)代人類的三分之一，但非同義突變與同義突變比(0.168)約是現(xiàn)代人類(0.082)的兩倍(圖1)[30]。這也表明尼人可能長期有著較小的有效人口。帕博的實驗室先是用高通量測序法測出尼人核基因組中100萬對堿基的序列[23]，為后續(xù)全基因組序列的獲取打下良好的基礎(chǔ)。未來對于來自更多時間與空間的尼人樣本的研究可以幫助我們更好地認(rèn)識這一問題。

圖1 現(xiàn)代人類、尼人和猿類的mtDNA進(jìn)化樹。箭頭所指的位置為現(xiàn)代非洲人和非洲以外人群最近的共祖時間(MRCA)(根據(jù)[17]和[30]繪制)

一節(jié)來自西伯利亞阿爾泰山丹尼索瓦洞穴的指骨為研究者們提供了認(rèn)識尼人以外古人類的契機(jī)。2010年帕博的團(tuán)隊從這節(jié)指骨上用DNA捕獲技術(shù)提取到完整的mtDNA序列[31]。他們發(fā)現(xiàn)這些mtDNA序列不屬于已知的任何古人類。這些古人類與現(xiàn)代人的mtDNA有385個核苷酸的差異，而現(xiàn)代人與尼人的mtDNA核苷酸差異只有202個[31]。這說明這些古人類與現(xiàn)代人的母系遺傳距離要遠(yuǎn)于尼人與現(xiàn)代人。在后續(xù)的研究中，他們將此次新發(fā)現(xiàn)的古人類命名為丹尼索瓦人。根據(jù)尼人、現(xiàn)代人和丹尼索瓦人的mtDNA所構(gòu)建的進(jìn)化樹顯示，丹尼索瓦人與尼人和現(xiàn)代人有共同祖先[31]。丹尼索瓦人與現(xiàn)代人和尼人的共同祖先分化的時間在距今約100萬年前，大約是現(xiàn)代人與尼人分化時間的兩倍。研究者們也提到，mtDNA更易受到遺傳漂變和正向選擇的影響，因此全基因組的研究對于進(jìn)一步明確丹尼索瓦人、尼人和現(xiàn)代人之間的關(guān)系及分化時間是十分有必要的[31-32]?？脊艑W(xué)的證據(jù)還表明丹尼索瓦人與尼人和現(xiàn)代人曾經(jīng)在3萬～5萬年前共同生活在阿爾泰山地區(qū)，這也使該地區(qū)成為研究現(xiàn)代人與古人類人群交流的重要地區(qū)[31]。

mtDNA的研究還被國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用在許多其他人群上。帕博等學(xué)者通過mtDNA探索了歐洲狩獵采集人群(H-Gs)和農(nóng)業(yè)人群在新石器時期的變遷歷史。通過對來自現(xiàn)代歐洲人的1 151個mtDNA序列的研究，他們發(fā)現(xiàn)與早期農(nóng)業(yè)人群相關(guān)的H單倍群和與H-Gs相關(guān)的U單倍群[33]。分析結(jié)果顯示，歐洲的H-Gs在15 000～10 000年前的這段時間呈增長趨勢，而在10 000～5 000年前的時間段出現(xiàn)人口規(guī)模的縮減[33]。這一變化可能與歐洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展以及農(nóng)業(yè)人口從9 000年前開始的擴(kuò)張有關(guān)。但是從約4 000年前開始，攜帶H型和U型單倍群的人群又同時開始增長[33]。這可能與農(nóng)業(yè)人群大規(guī)模地在歐洲擴(kuò)張之后同化了各地的H-Gs有關(guān)。研究者們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代歐洲人的mtDNA有約20%是來自于H-Gs的(圖2)[33]。這也表明農(nóng)業(yè)人群不是完全地替換了H-Gs，而是在一定程度上與他們發(fā)生了融合。

圖2 現(xiàn)代歐洲人群及其祖先人群中各類mtDNA單倍群的頻率占比(根據(jù)[33]繪制)

3 古人類全基因組研究

隨著DNA測序技術(shù)和古DNA提取方法的不斷進(jìn)步，遺傳學(xué)家研究的樣本從mtDNA逐漸擴(kuò)大到整個基因組。帕博的團(tuán)隊在2010年成功測序出尼人的全基因組[34]，論文發(fā)表在Science上，該文章是帕博最重要的學(xué)術(shù)成果之一。根據(jù)尼人和不同地區(qū)現(xiàn)代人全基因組的對比，研究者們發(fā)現(xiàn)尼人和非洲人群的遺傳距離要稍遠(yuǎn)于他們和非洲以外人群的遺傳距離[33]。但是，尼人與歐洲人群和東亞人群的遺傳距離是一樣的，說明尼人與現(xiàn)代人類的接觸可能發(fā)生在歐洲與亞洲人分化之前。通過對比不同地區(qū)現(xiàn)代人群、尼人和黑猩猩之間的遺傳距離，研究者們認(rèn)為大部分的基因交流都是從尼人到現(xiàn)代人的[33]。同時，該研究還算出非洲以外人群中來自尼人的基因占1%～4%[33]，且這些基因交流發(fā)生在3.7萬～8.6萬年前[35]。在后續(xù)的研究中，帕博的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，一群來自阿爾泰山的古老現(xiàn)代人類可能對同一地區(qū)的尼人有基因的滲入[36]。他們發(fā)現(xiàn)比起其他地方的尼人，阿爾泰地區(qū)尼人的第21號染色體與非洲人群的這一染色體共享更多等位基因?；谶@些位點，研究者們認(rèn)為在約11萬年前，早期現(xiàn)代人類的一個分支對阿爾泰地區(qū)尼人有0.1%～2.1%的基因滲入[33]。對尼人全基因組的研究，證明現(xiàn)代人類和尼人是存在雙向的基因交流的。這也說明將古DNA的研究范圍擴(kuò)大到全基因組是必要的，將使我們得到更多更全面的信息。

除了對尼人的研究以外，帕博的團(tuán)隊還對丹尼索瓦人的核基因組進(jìn)行了測序。從全基因組的數(shù)據(jù)來看，丹尼索瓦人與尼人有更近的共同祖先，而且他們與現(xiàn)代人類的遺傳距離和現(xiàn)代人類與尼人的遺傳距離是差不多的[32]。這與基于mtDNA所得到的結(jié)論不完全一致[31,37]。這種不一致也許可以用不完全譜系分選來解釋，即由于基因組中不同片段的進(jìn)化速率和保守性不同，某些基因的多態(tài)性可能會被隨機(jī)固定下來，因此通過不同片段構(gòu)建的進(jìn)化樹之間可能會有差別。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，丹尼索瓦人在更新世晚期曾廣泛分布于亞洲，在今天太平洋的美拉尼西亞人中有4%～6%的丹尼索瓦人基因[32]。在澳大利亞土著、新幾內(nèi)亞人、菲律賓南部的尼格利陀人群、波利尼西亞和東印度尼西亞的人群中都有發(fā)現(xiàn)來自于丹尼索瓦人的遺傳混合[38]。在亞洲人群中可能同時存在屬于尼人和丹尼索瓦人的基因片段，但是在歐洲幾乎很難找到丹尼索瓦人的痕跡(圖3)[39]。從距今34 000年前來自于蒙古東北部肯特省薩勒黑特(Salkhit)峽谷的古人類頭蓋骨提取到的基因組中，研究者們發(fā)現(xiàn)了約1.7%的來自尼人的基因，而來自丹尼索瓦人的基因只占0.127 5% (圖4)[40]。研究還發(fā)現(xiàn)，在東亞地區(qū)古人類DNA中發(fā)現(xiàn)的丹尼索瓦人基因組片段與現(xiàn)代亞洲人群中的丹尼索瓦人的片段是高度重合的。然而在新幾內(nèi)亞人或澳大利亞土著中則找不到這些東亞古人類特有的丹尼索瓦人基因片段[40]。這說明丹尼索瓦人與現(xiàn)代人類至少有過兩次獨立的人群混合，分別發(fā)生在亞洲大陸和太平洋地區(qū)。

圖3 不同地區(qū)人群平均每個個體中檢測到的阿爾泰尼人和阿爾泰丹尼索瓦人基因片段的長度(單位：Mb)(根據(jù)[39]繪制)

圖4 基于全基因組的現(xiàn)代人、尼人和丹尼索瓦人的進(jìn)化樹。紅色箭頭代表尼人向丹尼索瓦人的基因流；黃色箭頭代表尼人向現(xiàn)代人的基因流；綠色箭頭代表丹尼索瓦人向太平洋人群的基因流；藍(lán)色箭頭代表丹尼索瓦人向東亞人群的基因流(根據(jù)[32]和[36]繪制)

德國馬克斯·普朗克所的Johannes Krause和哈佛醫(yī)學(xué)院的David Reich團(tuán)隊通過古代人群全基因組的研究進(jìn)一步明確了歐洲H-Gs和早期農(nóng)業(yè)人群遷徙與融合的過程，并探索了現(xiàn)代歐洲人的祖先成分來源。他們找到了現(xiàn)代歐洲人的三個主要祖先人群，西歐的H-Gs、歐亞大陸北部的古西伯利亞人和來自近東的早期農(nóng)業(yè)人群[41]。f4檢驗的結(jié)果顯示，在近東的農(nóng)業(yè)人群擴(kuò)張到歐洲之后，來自西伯利亞地區(qū)的古代人群越來越多地與西歐人群發(fā)生融合。另外，f4檢驗還表明西歐的H-Gs沒有和近東人群發(fā)生太多基因交流[41]。不同祖先人群對歐洲人的影響也與地域有一定關(guān)系。西歐H-Gs對北歐的影響更大，近東早期農(nóng)業(yè)人群對南歐的影響更大(圖5)。從整體來看，比起古西伯利亞人，歐洲人與歐洲西部的狩獵采集者有更多的基因交流。但是在近東早期農(nóng)業(yè)人口中有約29%的古西伯利亞人基因，卻沒有西歐狩獵采集者的基因[41]。這說明古西伯利亞人基因可能以較小的占比更廣泛地分布在當(dāng)今的歐洲人群中。全基因組研究結(jié)果表明歐洲人的祖先成分是復(fù)雜的，不是簡單地由農(nóng)業(yè)人群替換了H-Gs。

圖5 PCA圖。1～11號橢圓中的點代表不同地區(qū)的現(xiàn)代西歐人群，方框中的點代表不同地區(qū)的古人類樣本。從PCA圖中可以看出H-Gs與現(xiàn)代西歐人的距離較遠(yuǎn)。早期農(nóng)業(yè)人群與西班牙(7和10號橢圓)、法國南部(7號橢圓)和地中海的意大利撒丁島(10號橢圓)人群距離最近。古西伯利亞人群落在北歐和俄羅斯人群(11號橢圓)附近(根據(jù)[41]繪制)

基于全基因組的研究可以提供更精確的人群遷徙和融合的時間。近幾年國內(nèi)外學(xué)者還利用全基因組進(jìn)一步解釋了東亞和東南亞人群形成的過程，以及不同時期人群交流的情況。研究發(fā)現(xiàn)3 300～1 200年前的臺灣地區(qū)人群有75%的祖先成分是與現(xiàn)代南島語人群、壯侗語人群、南亞語人群以及長江流域的農(nóng)業(yè)人群同源的，但另外25%的祖先成分則與中國北方黃河流域的早期農(nóng)業(yè)人群有關(guān)[42]。在新石器晚期(4 600～4 200年前)，東亞南部人群中就已經(jīng)出現(xiàn)來自東亞北部人群的基因成分[43-44]。同時，福建與臺灣地區(qū)之間的亮島人被認(rèn)為與南島語人群、壯侗語人群、青銅器時代的東南亞人群以及南亞語人的祖先人群有關(guān)[42]。這為南島語的祖先人群從中國華南地區(qū)擴(kuò)散到臺灣地區(qū)進(jìn)而向東南亞擴(kuò)散這一觀點提供了證據(jù)支持。不過東南亞H-Gs的基因依然存在于現(xiàn)代東南亞人群中。這說明來自東亞的南島語祖先人群在到達(dá)東南亞后與當(dāng)?shù)氐脑∶癜l(fā)生融合而不是直接替換了原有的人群。這一人群交流的過程與近東早期農(nóng)業(yè)人群在歐洲擴(kuò)散的過程有相似之處，即不同人群之間都傾向于融合而不是替換。另外，研究發(fā)現(xiàn)太平洋瓦努阿圖地區(qū)的古代人群與新石器晚期的東亞南部人群的遺傳距離比與新石器早期的更近[43-44]。因此可以推測，新石器晚期有更多南島語祖先人群從東亞南部向外擴(kuò)散[45]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，來自1 800～2 300年前的印度尼西亞和菲律賓的古代個體可以被模擬為南島和南亞語祖先人群的混合[45]。這表明南島語人群到達(dá)臺灣后，在距今2 000年前后到達(dá)了東南亞島嶼地區(qū)。

4 Y染色體研究

古DNA研究是從mtDNA開始的，而對于Y染色體的探索開始得晚一些。1995年，帕博在Science雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于Y染色體的綜述文章[46]，在這篇文章中他對mtDNA和Y染色體進(jìn)行了初步的比較。mtDNA在人體中有較多的拷貝數(shù)，具有適中的突變率，不重組，且只能由女性遺傳給后代，因此很適合用來研究群體間的母系親緣關(guān)系[17]。由于mtDNA的多樣性更容易受到遺傳漂變、自然選擇、人口規(guī)模變化等原因的影響[32]，研究者們漸漸意識到只依靠mtDNA追溯人類的起源和發(fā)展還是有局限性的。對于DNA不同區(qū)域的研究可以幫助人們更全面地了解人類進(jìn)化的相關(guān)問題，于是很多研究者開始將目光投向Y染色體[47-48]。Y染色體比mtDNA結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，片段更長，也有更豐富的多態(tài)性，而且不同位點的突變速率是不同的[49]。在同一人群中，由于婚配制度和遺傳方式的限制，Y染色體和mtDNA的多樣性可能存在差異[50-51]。根據(jù)多態(tài)性可以區(qū)分出Y染色體上特定基因或區(qū)域的不同單倍型(haplotype)，進(jìn)而追蹤不同人群的父系祖先來源[52]。

由于高質(zhì)量男性尼人樣本的缺乏，關(guān)于尼人和丹尼索瓦人的Y染色體的研究直到近幾年才取得突破。對3個尼人和2個丹尼索瓦人的Y染色體研究的結(jié)果顯示，丹尼索瓦人與尼人和現(xiàn)代人的父系共同祖先分化的時間在距今70萬年前，而實驗中的3個尼人與現(xiàn)代人Y染色體的分化時間在37萬年前[53]。對比基于mtDNA、Y染色體和全基因組所構(gòu)建的譜系樹，研究者們發(fā)現(xiàn)丹尼索瓦人與尼人和現(xiàn)代人遺傳關(guān)系的不一致可能是由于晚期尼人的線粒體和Y染色體被早期現(xiàn)代人的一個分支人群替換了[53]。因此，丹尼索瓦人與現(xiàn)代人的分化時間在三個譜系樹中是相對一致的，而根據(jù)Y染色體和mtDNA建立的譜系樹會顯示晚期尼人與現(xiàn)代人的距離更近。在阿爾泰地區(qū)發(fā)現(xiàn)的有現(xiàn)代人類基因滲入的尼人為這一論點提供了有力的支持[36]。關(guān)于尼人的最新研究發(fā)現(xiàn)，尼人Y染色體的多樣性要遠(yuǎn)小于mtDNA的，而且被研究的13個尼人的Y染色體共祖時間也遠(yuǎn)小于mtDNA的[54]。這可能是因為尼人女性在不同群體間的遷徙更頻繁。根據(jù)Y染色體和mtDNA所建立的模型顯示，尼人群體的平均人口為20人，其中有60%～100%的女性來自其他群體[54]。通過對古人類基因的深入探索和先進(jìn)分析方法的應(yīng)用，研究者們可以對古人類從人群交流到社會結(jié)構(gòu)的多個維度進(jìn)行探索。

5 古DNA與現(xiàn)代人類特征的演化

除了研究人類起源和不同人群之間親緣關(guān)系與遷徙歷史等問題，古DNA還可以通過研究某些基因突變或者滲入的時間，來推測現(xiàn)代人類某些特征出現(xiàn)的時間和背景。帕博等[34]通過對比現(xiàn)代人類和尼人的全基因組，找到了現(xiàn)代人類中212個發(fā)生了核苷酸多態(tài)性選擇性清除(selective sweep)的區(qū)域。這些區(qū)域往往與自然選擇中對基因的正向選擇有關(guān)。選擇的作用越強(qiáng)烈，發(fā)生選擇性清除的區(qū)域可能就會越大。在該項研究中找到的最大區(qū)域包含THADA基因，這個基因附近的單核苷酸多態(tài)性(SNP)位點與2型糖尿病有關(guān)。另外，他們還發(fā)現(xiàn)一個與顱骨鎖骨發(fā)育不良有關(guān)的基因RUNX2 (CBFA1)。研究者們認(rèn)為這個基因的突變與現(xiàn)代人和包括尼人在內(nèi)的其他古人類在形態(tài)上的一些差別有關(guān)[34]。RUNX2基因與顱骨縫的延遲閉合、鎖骨的發(fā)育不良、牙齒畸形和鐘形胸廓有關(guān)[55]。其中，鐘形胸廓是一個在尼人和其他智人身上很典型的特征?，F(xiàn)代人類在這些形態(tài)上的變化很可能為其提供了某種進(jìn)化方面的優(yōu)勢。對于人類基因正向選擇歷史的探索可以幫助我們更好地了解現(xiàn)代人類重要特征進(jìn)化的歷程，以及現(xiàn)代人類是如何應(yīng)對自然選擇的壓力的。

現(xiàn)代人中一些尼人和丹尼索瓦人的基因由于有利于人類對環(huán)境的適應(yīng)，從而被保留下來。研究發(fā)現(xiàn)，與免疫相關(guān)的STAT2基因在歐亞人群中的一類單倍型(N)與尼人的高度相似，且在撒哈拉以南的非洲人群中沒有出現(xiàn)[56]。這類單倍型在歐亞人群中的平均占比為5%，但在太平洋的美拉尼西亞人中的出現(xiàn)頻率高達(dá)54%[56]。美拉尼西亞人中并沒有更多尼人祖先成分，因此帶有單倍型的免疫基因STAT2可能在美拉尼西亞地區(qū)受到正向選擇。丹尼索瓦人的基因也對現(xiàn)代人的免疫系統(tǒng)有一定的積極影響。與人類白細(xì)胞抗原相關(guān)的一個等位基因HLA-B*73就是由于丹尼索瓦人在西亞的基因滲透，進(jìn)而擴(kuò)散到整個歐亞地區(qū)的[57]。這個等位基因可以編碼許多獨特的自然殺傷細(xì)胞受體的配體，對自然殺傷細(xì)胞的運轉(zhuǎn)有著重要作用。自然殺傷細(xì)胞是一類與人體抗病毒抗感染等免疫調(diào)節(jié)功能有關(guān)的重要免疫細(xì)胞。HLA-B*73在調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)運作方面的優(yōu)勢使它在歐亞人群中的占比超過50%[57]。除了免疫系統(tǒng)外，丹尼索瓦人的基因滲透還對高海拔的青藏高原人群適應(yīng)低氧環(huán)境有一定貢獻(xiàn)。EPAS1基因是一個與個體對低氧環(huán)境反應(yīng)相關(guān)的基因，它通過在低氧情況下調(diào)節(jié)血紅蛋白的濃度來降低個體高原反應(yīng)等心血管疾病的風(fēng)險[58]。研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原人群特有的更利于低氧環(huán)境的EPAS1基因單倍型大多存在于藏族人中，且與丹尼索瓦人的EPAS1基因單倍型十分相似，而這一單倍型在包括漢族人在內(nèi)的世界其他族群中是很罕見的[59]，這說明藏族人的EPAS1基因更有可能是來自丹尼索瓦人而不是現(xiàn)代人群。

帕博和Zeberg還發(fā)現(xiàn)了一些可以增加或減少新型冠狀病毒感染后重癥概率的相關(guān)基因，而這些基因與尼人有關(guān)。他們先是發(fā)現(xiàn)在3號染色體上的與感染新型冠狀病毒后呼吸衰竭有關(guān)的基因[60]，這組基因被認(rèn)為是新型冠狀病毒重癥的主要風(fēng)險因素之一。涵蓋這組基因的片段在南亞人群中的占比為50%，在歐洲人群中為16%(圖6)。而這個基因片段的序列與尼人基因中對應(yīng)區(qū)域的序列十分相似，因此推斷這一新型冠狀病毒重癥的風(fēng)險因素可能來自尼人。在后續(xù)的研究中，他們又在12號染色體上發(fā)現(xiàn)一個與降低新型冠狀病毒感染后重癥風(fēng)險有關(guān)的單倍型[61]。這個長度為75 kb的片段會在個體受到病毒感染時編碼一些有重要作用的蛋白質(zhì)，在非洲以外地區(qū)都有較高的出現(xiàn)頻率(圖6)。研究者們在尼人基因相對應(yīng)的區(qū)域中找到與這個單倍型一致的片段，因此現(xiàn)代人很有可能是從尼人的基因中獲得這一單倍型的；而且，這個片段長達(dá)75 kb，說明它不太可能來自于現(xiàn)代人類和尼人的共同祖先[61]。研究結(jié)果表明，尼人對現(xiàn)代人類的基因滲透既有積極也有消極的影響，但是基因的功能大多不是單一的，因此不能只從一個方面去判斷一個基因的利弊。

圖6 與冠狀病毒重癥風(fēng)險相關(guān)的單倍型的頻率分布地圖。藍(lán)色代表與重癥風(fēng)險增加有關(guān)的單倍型，紅色代表與重癥風(fēng)險降低有關(guān)的單倍型(根據(jù)[60]和[61]繪制)

通過對有語言障礙的家族和個體的探索，研究者們發(fā)現(xiàn)在FOXP2基因上發(fā)生的突變與語言能力的發(fā)展息息相關(guān)。FOXP2基因的缺陷會影響大腦語言相關(guān)區(qū)域的發(fā)育，從而影響口面部的活動能力和語言的表達(dá)與認(rèn)知能力[62]。FOXP2基因負(fù)責(zé)編碼一個由715個氨基酸組成的蛋白質(zhì)。人類的FOXP2蛋白質(zhì)與老鼠的只有3個氨基酸的差別。黑猩猩和大猩猩的FOXP2蛋白質(zhì)與老鼠的只有1個氨基酸的差異，而與現(xiàn)代人類有2個位點的差異[63]。黑猩猩與老鼠的FOXP2蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基本一致，而人類的FOXP2蛋白質(zhì)與前兩者在結(jié)構(gòu)和功能上是有區(qū)別的[63]。這說明人類FOXP2基因的關(guān)鍵突變更可能發(fā)生在人類與猿類進(jìn)化分離以后，而且不同地區(qū)現(xiàn)代人的FOXP2蛋白質(zhì)是一樣的，不存在多態(tài)性[63]，這說明FOXP2在現(xiàn)代人類中已經(jīng)經(jīng)過正向選擇被固定下來。為了進(jìn)一步驗證正向選擇對現(xiàn)代人類FOXP2基因的作用，研究人員分別測序了現(xiàn)代人類和黑猩猩該基因上非編碼區(qū)域的14 063組堿基對。他們發(fā)現(xiàn)一些在黑猩猩中頻率很低的等位基因在現(xiàn)代人類中有著較高的頻率[63]。這說明在現(xiàn)代人類中這些非編碼區(qū)域的多樣性由于編碼區(qū)域被正向選擇而受到了選擇性清除。根據(jù)似然法建立的模型顯示，現(xiàn)代人類FOXP2的固定可能發(fā)生在距今20萬年前，這一時間點可以對應(yīng)到目前已知的現(xiàn)代人類祖先人群走出非洲向歐亞擴(kuò)張的時間點之一[63]。人類語言的進(jìn)化可能為人類的擴(kuò)張?zhí)峁┝擞欣臈l件。

帕博對尼人FOXP2基因的研究發(fā)現(xiàn)，尼人和現(xiàn)代人在這個基因上的位點突變是一樣的。同時，這些突變附近由于正向選擇所發(fā)生的選擇性清除的信號也是一致的。因此，現(xiàn)代人類FOXP2基因出現(xiàn)的時間有可能比20萬年前更早，在尼人與現(xiàn)代人分化之前[64]。也有研究顯示尼人與現(xiàn)代人一致的FOXP2基因可能是由于早期現(xiàn)代人類向尼人的基因滲入而導(dǎo)致的[36]。隨著研究的不斷深入，對于這一問題的認(rèn)識會不斷更新。在探索現(xiàn)代人類特征對應(yīng)的基因突變是在何時產(chǎn)生的這類問題時，尼人和丹尼索瓦人這樣的古人類就像人類漫長演化歷史中的坐標(biāo)。通過尋找這些坐標(biāo)并進(jìn)行比對，現(xiàn)代人類進(jìn)化歷程的時間軸將得到更精確的矯正。

6 結(jié)語

斯萬特·帕博通過30多年在古DNA領(lǐng)域的探索，實現(xiàn)了從mtDNA到全基因組的測序。他對于古人類研究的專注與奉獻(xiàn)為我們打開了一扇了解人類進(jìn)化歷程的窗戶。同時，帕博對前沿技術(shù)的敏銳洞察力，也使他一直處于古DNA技術(shù)革新的前沿。研究像尼人和丹尼索瓦人這樣的已滅絕古人類，可以深化我們對于現(xiàn)代人類演化過程的了解。雖然帕博的研究重點集中在尼人和丹尼索瓦人上，但是他所開創(chuàng)或優(yōu)化的古DNA研究方法使得許多研究者受益，從而使越來越多的人加入到了古基因組學(xué)的行列。研究古基因組不僅可以回答有關(guān)人群起源與擴(kuò)張的問題，還可以回答與現(xiàn)代人類特征的進(jìn)化有關(guān)的問題。依托先進(jìn)的實驗與分析技術(shù)，可供研究的古DNA范圍不斷擴(kuò)大，可以回答的問題將不斷細(xì)化與深化。