來源：Science

編輯：好困

【新智元導(dǎo)讀】人類基因組草圖發(fā)表20周年之際，Science發(fā)表紀(jì)念特刊。其中，來自中科院古脊椎所的團(tuán)隊系統(tǒng)地梳理了過去十余年來古人類基因組研究的進(jìn)展。

1990年，人類基因組計劃啟動，2001年，長達(dá)30億堿基對的人類基因組草圖繪制完成。

在人類基因組公布后的20年里，遺傳學(xué)的進(jìn)步飛速發(fā)展。

然而，盡管有了這些進(jìn)步，我們?nèi)匀蝗狈δ芰眍A(yù)測個人的遺傳基因組是如何促成衰老、復(fù)雜疾病，甚至一些單基因疾病。

(左邊）1至22號染色體以及X和Y染色體，（中間）染色體特征和染色密度，（右邊）與孟德爾疾病有關(guān)的基因和癌癥中發(fā)現(xiàn)的基因突變

本次Science特刊上共有4篇關(guān)于人類基因組的研究報告。

其中，中科院古脊椎所的研究員系統(tǒng)地梳理了過去十余年來古人類基因組學(xué)研究的發(fā)展。

從滅絕的現(xiàn)代人近親開始

在過去的十年里，DNA測序技術(shù)和實(shí)驗(yàn)室制備協(xié)議的最新進(jìn)展迅速擴(kuò)大了古代DNA研究的范圍，在時間上和地理上都是如此。

這種新型的數(shù)據(jù)使我們能夠研究人類人口動態(tài)的深層過去，并使目前對我們現(xiàn)在的理解更加清晰。

古代DNA領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展改變了我們對人類遺傳歷史的理解，使我們能夠一窺過去幾千年來全球人類的遺傳歷史。

https://www./doi/10.1126/science.abi8202

到20世紀(jì)80年代末，人們發(fā)現(xiàn)DNA可以在生物體死亡后長期存活，不過是高度降解的，而且經(jīng)常發(fā)生化學(xué)變化。

此外，早期對aDNA特征的嘗試僅限于短的DNA片段。

但隨著HTS技術(shù)的進(jìn)步以及對DNA降解更深入的理解，因此在2010年，三個古基因組草圖得到發(fā)表：一個尼安德特人、一個丹尼索瓦人，以及一個來自格陵蘭島的一個4千年的現(xiàn)代人。

近年來，已測序的古人類基因組的數(shù)量成倍增長。

2021年6月前公布的古人類基因組

早期現(xiàn)代人的多樣性

對尼安德特人和丹尼索瓦人常染色體的分析表明，他們之間的關(guān)系比現(xiàn)代人更加密切。

從共享遺傳變體的水平來看，估計古人類在大約55萬年前與現(xiàn)代人分離，尼安德特人和丹尼索瓦人在大約40萬年前相互分離。

在現(xiàn)今的人口中廣泛檢測到與尼安德特人和丹尼索瓦人的基因混雜。

東亞人的基因組中含有的尼安德特人祖先的數(shù)量高于西方歐亞人（分別為2.3-2.6%和1.8-2.4%）。

不過，在校正了向非洲人口的回遷之后，非洲以外的人口中尼安德特人祖先的水平差異較小。

古人類和早期現(xiàn)代人的人口歷史

非洲

遺傳數(shù)據(jù)強(qiáng)烈支持現(xiàn)代人起源于非洲，早期現(xiàn)代人類體的形態(tài)表明在更新世的非洲有地理上分散的種群。

根據(jù)對遺傳多樣性和分化時間的估計，已經(jīng)提出了許多地點(diǎn)，包括在南非、西非、東非和中非。

據(jù)推測，現(xiàn)代人是從一個相互聯(lián)系的泛非洲人類中出現(xiàn)的，但還需要進(jìn)一步的證據(jù)來檢驗(yàn)這一模式。

在大約25萬年前到20萬年前之間的某個時間，對早期現(xiàn)代人類祖先有貢獻(xiàn)的五個主要分支在短時間內(nèi)開始相互分裂。

歐亞大陸

早在約4萬5千年前時就生活在歐亞大陸的早期現(xiàn)代人已經(jīng)獲得了基因組數(shù)據(jù)。

其中一些品系沒有顯示出與后來人類的遺傳連續(xù)性，而其他品系則可能與現(xiàn)今的人類人類有遺傳聯(lián)系。

古代歐洲人的祖先在今天的西歐亞人中被發(fā)現(xiàn)，其代表是來自歐洲的兩個3.7萬至3.5萬前的個體。

古代北西伯利亞人與西歐亞人分化，與早期西歐亞人和早期東亞人都有親緣關(guān)系。

此外，古代北歐亞人，與美洲原住民密切相關(guān)，這一點(diǎn)由現(xiàn)今俄羅斯的一個約兩萬4千年前的個體所顯示。

在東亞，來自現(xiàn)今中國的田園洞人一個約4萬年前的個體代表了一個與現(xiàn)今亞洲人有關(guān)的人類。

盡管我們目前對這些早期的知識了解甚少，但很明顯，隨著時間的推移，整個歐亞大陸的人口結(jié)構(gòu)不斷增加，人口互動越來越多，移民越來越多。

隨著來自早期歐亞大陸的古人類基因組的增加，我們開始拼湊歐亞大陸的更新世人口歷史。

最近通過對保加利亞約4.6萬到4.3萬年前個體的基因組分析，發(fā)現(xiàn)了一個與田園洞人和GoyetQ116-1都有聯(lián)系的群體。

末次冰盛期

末次冰盛期是歐洲、東亞和西伯利亞環(huán)境條件惡劣的時期。

在末次冰盛期之后，來自不同歐洲避難地的狩獵采集者之間觀察到了混雜現(xiàn)象。

在東亞，與田園洞人有關(guān)的祖先和來自阿穆爾的一個約3.3萬年前的個體在末次冰盛期之前廣泛分布于東亞北部。

與歐洲和東亞的情況類似，西伯利亞的人口也發(fā)生了變化，早期現(xiàn)代人至少在4.5萬年前時就已定居。

在末次冰盛期之后，攜帶古代北西伯利亞人和古代北歐亞人血統(tǒng)的人被古代西伯利亞人所取代，范圍從西伯利亞東北部到貝加爾湖以南。

在末次冰盛期之后，出現(xiàn)了一個更溫暖和更穩(wěn)定的氣候，從這個時期開始，人類人口動態(tài)的特點(diǎn)是一系列的快速擴(kuò)張、遷移、互動和替換。

人口流動的模式因地區(qū)而異，有些基本上限于長期的人口連續(xù)性和內(nèi)部互動（如東亞大陸和澳大利亞），有些則以反復(fù)出現(xiàn)的人口混雜和替換為主（如歐洲和歐亞草原）。

末次冰盛期之后全球的主要人口動態(tài)

在目前的現(xiàn)代人類種群中，非洲人的遺傳多樣性是最高的。

古代基因組顯示，一些早期非洲人在遺傳上與近東人口有聯(lián)系。

在大約5到1千年之間，撒哈拉以南非洲的牧民和農(nóng)民之間發(fā)生了多次混雜事件，產(chǎn)生了今天的東非人口。

可以說，近期非洲人口史上最重要的事件之一是與西非有關(guān)的班圖人的散布。它呈現(xiàn)了已知的最大的農(nóng)耕人口擴(kuò)張事件之一，并將農(nóng)業(yè)和西非相關(guān)的祖先傳播到撒哈拉以南非洲的大部分地區(qū)。

此外，遺傳學(xué)和考古學(xué)證據(jù)支持牧民從非洲東部向南部擴(kuò)張。

到目前為止，已經(jīng)重建了6000多個古代基因組，但我們只是觸及了人類歷史的表面，還有許多空白有待填補(bǔ)。

由于獲取和保存方面的差異，絕大多數(shù)的古基因組（特別是那些超過3萬年的）都來自歐亞大陸北部，非洲、亞洲、美洲和大洋洲的采樣有限。

遺傳學(xué)和考古學(xué)證據(jù)表明，人類探索、生存和居住在各種環(huán)境中，包括極其嚴(yán)酷的北極條件。

對過去的詳細(xì)重建，特別是對諸如在末次冰盛期遇到的挑戰(zhàn)性條件，將有助于揭示人類對極端環(huán)境的適應(yīng)。

雖然本文的重點(diǎn)是人類的進(jìn)化，但對人類病原體的aDNA研究可以了解病原體的進(jìn)化和宿主與病原體之間的相互作用，從而更好地了解我們對傳染病原體的適應(yīng)情況。

作者介紹

本論文第一作者中科院古脊椎所劉逸宸特別研究助理，毛曉偉副研究員，通訊作者為付巧妹研究員。

付巧妹

中國科學(xué)院脊椎動物演化與人類起源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，古DNA實(shí)驗(yàn)室主任。

2007年在西北大學(xué)獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2009年在中國科學(xué)院研究生院獲碩士學(xué)位，2013年在德國馬克思.普朗克進(jìn)化人類研究所獲演化遺傳學(xué)博士學(xué)位。

2010年1月起，負(fù)責(zé)中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所中德人類演化與科技考古聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室古DNA平臺；先后在德國馬普進(jìn)化人類學(xué)研究所和美國哈佛醫(yī)學(xué)院從事博士后研究工作。

目前她在國際核心期刊發(fā)表重要論文40余篇，其中高影響論文有31篇，在Nature、Science、Cell期刊發(fā)表20篇，論文總IF超過500，引用次數(shù)超過3000次。

相關(guān)成果入選Nature「2014年度十大科學(xué)事件」、「2016年度中國古生物學(xué)十大進(jìn)展」等。

因成果顯著，她被《Nature》評為「中國十大科學(xué)之星」之一，被CCTV評為「中國科技創(chuàng)新人物」之一，入選發(fā)展中國家科學(xué)院（TWAS）青年通訊院士、國家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目。

并獲得了「美國HHMI國際青年科學(xué)家獎」、「第十五屆中國青年科技獎-特別獎項(xiàng)」、騰訊「科學(xué)探索獎」，主持科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目等。

參考資料：

https://www./doi/10.1126/science.abm1359

https://www./doi/10.1126/science.abi8202 

http://www.ivpp.cas.cn/sourcedb_ivpp_cas/zw/rck/yjy/201605/t20160513_4601203.html

https://mp.weixin.qq.com/s/wlYCRCOGq3scVjryzsP_qQ