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《北京日報》:重塑現代人類史前基因交流史
发布时间:2021-11-18 09:09

《自然·通訊》雜志日前在線發表了中國科學院及複旦大學徐書華團隊關于人類族群演化中的混血曆史的研究論文。論文提出了一種新方法,能更有效地檢測和量化近緣種的基因交流,並在更精細的尺度上重構複雜的基因交流曆史。該方法也適用于非人類物種的遺傳數據分析。

研究團隊應用新方法分析公共數據庫中的人群基因組數據,重塑了歐亞大陸以及大洋洲現代人類史前與遠古人類的基因交流模型,重構了現代人類的史前演化曆史。北京日報約請徐書華教授向讀者介紹他們的新發現。

1、新方法有效重構古人類基因滲入

人類作爲地球生命演化中很晚近才出現的物種,曆史十分短暫,但是過程錯綜複雜。近年來的研究發現,現代人類的祖先在“走出非洲”向全球探索的征途中,可能與先期抵達的古人類接觸並共存了相當長的時期,期間有過密切接觸並且産生了基因交流。其中比較有代表性的古人類是目前已知的尼安德特人和丹尼索瓦人。雖然這些古人類作爲物種在3萬年前都走向了滅絕,但他們的基因片段散布在包括我們自己在內的現存人類的基因組中。

這個有趣的現象吸引了人類學、曆史學、地質學、古生物學、考古學、遺傳學等衆多領域的科學研究者,有趣的甚至令人驚奇的發現也持續出現。然而,幾個關鍵的問題亟待解決或缺乏令人滿意的答案:

如何在現代人類基因組中准確地識別出這些古人類的基因片段?

通過對這些基因片段的研究是否可以揭示出現代人類與古人類的族群交融曆史?

通過對從古人類遺傳交融的分析視角,重新審視長期以來建立的人類演化模型,是否應該修正或者改變我們對現代人類演化曆史的認知?

與古人類的遺傳交融對現代人類遺傳和表型多樣性産生哪些影響?特別是這些古人類基因片段具有什麽樣的進化和醫學意義?

曾經發生在史前的基因交流,站在現代人類的立場,可視爲遠古人類對現代人類的基因滲入。由于基因滲入事件發生的時間比較久遠(距今3萬至10萬年前),古人類的基因片段由于基因重組往往碎片化爲平均長度只有幾萬個核苷酸的DNA序列(人的基因組爲30億核苷酸長度),並且極度分散于現代人類基因組中。相比之下,近期的族群遺傳融合(如美國黑人、南美拉丁裔人群)動辄幾百萬核苷酸大小的祖先片段,比遠古人類滲入的基因片段長了近百倍。除此之外,經過現代人類基因庫幾萬年的重組稀釋,遠古人類基因片段總體上通常只占現代人全基因組序列的1%2%。極低的頻率,極短的長度,和遠古人類基因組數據的缺失等諸多因素,都增加了從現代人類基因組序列中搜尋和鑒定遠古人類基因片段的難度。而基于這1%2%的基因滲入信息推斷史前人類的曆史,則是一個更加富有挑戰的問題。這也是長久以來各種方法的嘗試都未取得良好效果的重要原因。

出于對這些問題的好奇與研究熱情,我們研究團隊在前期研究的基礎上,專門設計了一種尋找遠古人類基因滲入片段,基于滲入片段長度推斷遠古人類基因滲入曆史的方法——ArchaicSeeker2.0

相比于其他方法,新方法有如下三個優勢:

首先,該方法通過滲入片段搜尋算法,可以從海量的現代人基因組數據中,快速鑒定潛在的滲古人類基因序列,並能精准判定每個片段的大小和確定邊界;

其次,該方法在判定基因滲入片段的祖源過程中不依賴于是否具備已知的遠古人類基因信息;

第三,基于新方法的曆史重構算法,不依賴于海量計算機模擬,即可有效地重構極爲複雜的基因滲入曆史。

新方法的這些獨特優勢在計算機模擬數據和實驗數據分析中得到了系統的評估與確證。結果表明,在遠古人類基因片段的判定方面,新方法達到了超過90%的准確率,而誤判率僅爲約0.14%。在幾乎所有的模擬實驗中,至少80%以上的推斷的古人類片段都能被匹配至正確的祖先上。同時,新方法在遺傳混合事件次數、基因滲入比例和遺傳交融發生的時間估計上也有良好的表現。

2、現代人類或至少兩次“走出非洲”

我們研究團隊借由該方法分析和探討了東亞、南亞、歐洲及大洋洲的現代人群與尼安德特人、丹尼索瓦人之間基因漸滲、共同演化的曆史重構等一系列重要問題。研究團隊進一步將該方法應用于分析全球人群基因組公共數據,從現代人類基因組中檢測遠古人類的基因序列並在更精細的尺度上重構史前人類在歐亞大陸的遷徙和基因交流曆史。

早前研究表明,非洲以外的現代人類基因組中存在少量尼安德特人、丹尼索瓦人等遠古人類的滲入基因序列。然而不少關鍵的問題,如這些基因片段是何時、何地以及經由哪種遠古人類滲入現代人類基因組,尚有較大爭議。

利用ArchaicSeeker2.0方法,研究團隊對東亞、南亞、歐洲、大洋洲以及現代亞歐人類祖先烏斯特-伊斯姆人與尼安德特人、丹尼索瓦人的混合時間、次數進行估計。結合考古學證據,研究人員從時空尺度上重構了現代人類和遠古人類的遺傳交融曆史。通過新方法分析,從現存人群(居住在島嶼上的土著人除外)的基因組數據中能夠辨別出兩次疑似丹尼索瓦人的基因滲入,以及兩次疑似尼安德特人的基因滲入。

之前關于古人類與現代人類遺傳混合的研究,大多基于現代人類“單次走出非洲”的模型。然而我們研究團隊發現,“單次走出非洲”模型與大洲人群與尼安德特人、丹尼索瓦人的混合時間與次數存在矛盾,目前的數據需要至少兩次出非洲遷移事件才能較好地解釋。一次較早的“走出非洲”遷徙發生在距今約6萬至12萬年前,而較晚近的一次發生在距今6萬年以後。

早期走出非洲的現代人類祖先,在距今約9.4萬年到11.9萬年前,在中東、南亞附近,與丹尼索瓦人發生了第一次接觸和基因交流。而後,他們繼續向東前進,一部分留在南亞,一部分向北到達東亞南部,並分別與本地的丹尼索瓦人發生遺傳交融。還有一支繼續向東南遷徙,在距今6.2萬年至6.4萬年前,穿過華萊士線到達大洋洲,與已先期到達的一支丹尼索瓦人融合。

近期走出非洲的現代人類,距今4.8萬年至5.9萬年前,在中東地區與尼安德特人發生第一次接觸和基因交流,之後,他們分別遷徙至歐洲、南亞、東亞,與各地尼安德特人發生了第二次族群融合。隨後,南亞對歐洲的遷徙還將極少量的丹尼索瓦人的基因序列帶入歐洲。

3、現代人類多樣性的形成仍然未解

基于ArchaicSeeker2.0對古人類基因滲入片段精准高效的估計,研究團隊分析了全球近300個現代人群中遠古人類基因滲入序列功能及其分布特點,發現它們富集于免疫、體重、心肺功能、紫外線響應和碳水化合物的代謝等相關功能基因區域。除去這些遠古人類滲入片段富集區域,研究團隊還檢測到了84個完全缺乏古人類基因片段的“漸滲沙漠”區域。而在這些“漸滲沙漠”區域中,顯著富集了與皮膚發育和角化功能有關的基因。這些發現爲揭示遠古人類基因序列滲入對現代人類影響提供了線索,並爲接下來進一步研究滲入基因片段的生物學功能以及遠古人類遺傳漸滲對現代人類進化的影響,提供了候選基因和研究靶標。

如今人類足迹已遍布全球,而人群遷徙和族群融合貫穿于人類的演化曆史長河中。實際上,世界上大多數族群的形成和發展是遷移、隔離、再接觸、再融合的過程。通過大量的研究,現在已經可以初步繪制出史前人類遷徙路線圖。對于科學家繪制的人類遷徙路線圖,人們往往都有這樣的疑問——爲何史前的人類能夠判斷這些如今看來都是最佳的遷徙路線?或者,有什麽神秘的力量在給人類指引著方向?

實際上,這是一種“幸存者偏倚”現象,即那些探索失敗的路線自然缺乏追隨者,因而對現存人類産生的影響很小,從現代的時間回放呈現出的當然只有最終成功了的路線。從這個角度考慮,當科學家在討論人類“走出非洲”理論的時候,並未排除有一部分人可以“走回非洲”。同樣的道理,當探討人類幾次走出非洲時,我們討論的是定居非洲以外的現存人類的共同祖先,到底是幾批人在不同時間段遷移到非洲以外,還是最初一批人的遷移和定居即可解釋現存人類的主體基因庫構成。

很顯然,人類祖先最初“走出非洲”之後有更多機會可以不斷走出非洲,直到現今其實反而有更大量的人口流動。所以討論的焦點在于最初爲各地現存人群基因庫奠定基礎的那些早期遷移事件。即便如此,如今所呈現出的現代人類多樣性格局如何形成仍是一個尚未得到完全解決的重大科學問題,這有賴于人類學、遺傳學、考古學、地質學等多學科的交叉合作,更依賴于研究方法和技術上的創新甚至研究範式上的突破。