导读
随着化石DNA研究的进步，科学家们能够窥见古代人类的基因信息，然而，古基因组学面临着样本污染、DNA分解等诸多挑战，限制了研究的深度和准确性。
在探索古人类基因时，我们需要怎样的技术创新才能解开基因演变的奥秘？古基因组学在揭示人类进化中的关键角色时还存在哪些未知领域？
一览：
古基因组学面临的最大的障碍，是难以找到保存完好的古人类DNA。此外，现有的大部分遗骨样本来自多年前的发掘项目，相关档案记录不足或缺失。
近年，科学家发现现代欧亚人携带2%的尼安德特人基因，于是开始着重研究尼安德特人的灭绝的原因，以及智人（现代人类）为何得以进化繁衍。
古基因组学通过分析人类远祖的遗传信息，洞悉人类的进化历程。
千万年来的“自然选择压力”（气候变化、资源匮乏、猛兽袭击、性选择、寄生虫、病原体）在人类的基因信息中留下了痕迹。人类的种种性状正是在压力的逼迫下形成。
对尼安德特人 DNA 结构的研究显示，他们灭绝是因为智人在自然选择中的优势太大。
2016年底，一条消息登上了各大媒体的头条：欧亚人携带大约 2% 的尼安德特人基因。尼安德特是一种在12万年前居住在欧洲及西亚的古人类，大约4万年前灭绝。这一发现让瑞典科学家Svante Pääbo荣获2022 年诺贝尔奖生理学或医学奖。Pääbo揭示，尼安德特人是现代人已灭绝的近亲，尼安德特人和智人（现代人类）在共存过程中可能进行了交配。Pääbo的研究成果为一系列课题提供了全新的研究方向，包括尼安德特人为何灭绝、智人因为哪些有利因素而得以生存繁衍。
化石DNA蕴含着人类祖先的遗传信息，是古基因组学的主要研究对象。古基因组学是一门将 DNA 测序技术与古代生物遗骸分析相结合的学科。通过提取和破译保存在骨骼、牙齿、头发、种子和木材中的 DNA，科学家可以获取古生物的遗传信息，包括我们的远祖——古人类。
01 化石DNA：来自人类进化早期的宝贵信息
美国生物学家Allan Wilson 是解读化石 DNA 序列的先驱者。他在 20 世纪 80 年代中期对斑驴DNA成功地进行了测序。斑驴是一种类似斑马的马科动物，19世纪灭绝。继Wilson之后，Pääbo 对埃及木乃伊中保存下来的 DNA 进行了测序，追溯到了更久远的历史。法国国家健康与医学研究院（INSERM）研究主任兼巴黎综合理工学院生物系主任 Jean-Louis Mergny 解释道：“尽管 DNA 分子在化学上比 RNA 更稳定，但能否保存几千年还是个问题。经过科学家们几十年的努力，如今我们终于可以研究上万年前的古代 DNA了。” Pääbo获得诺奖，象征着古基因组学的一次重大突破。Mergny认为，古基因组学突飞猛进的发展“足以掀起科学革命，使我们能够‘返回’遥远的古代。”
Mergny表示：“DNA 的特殊构造和奇异现象让我痴迷。我在疫情期间阅读了有关尼安德特人的书籍，并多次参观巴黎的人类博物馆，由此对古代 DNA 产生了浓厚的兴趣。”他启动了一个研究课题，寻找古代基因组中的特殊结构，首先是在病毒中[1][2]，然后是在灭绝的古人类中。
“启发《侏罗纪公园》的‘科研结果’有误；琥珀中不可能保存昆虫 DNA。”
课题以研究丹尼索维亚人和尼安德特人群体为主，因为这两个物种的DNA 库可供科学家开放获取。Mergny计划将这两种古人类的新陈代谢与智人进行比较，探究古人类因哪些基因差异而在进化中被淘汰。
研究的难点在于化石 DNA非常容易因时间作用、化学物质、微生物、人为操作失误而分解或受污染。Pääbo 在 20 世纪 80 年代首次尝试研究埃及木乃伊时也遇到了同样的瓶颈。“他发现，送去测序的样本中竟然含有实验室工作人员的基因组。”
更糟糕的是，一些课题组因操作不严谨，得出了错误的结果，声称从琥珀中的昆虫体内提取出了古代DNA。而正是这一错误的结果启发了《侏罗纪公园》的情节。Mergny指出：“实际上DNA 在琥珀中难以保存，保存数千万年更是无稽之谈。不过，科学是在错误中不断进步的！”
现在实验室的卫生标准比以往严格了许多，样本污染风险有所降低，但千万年前的DNA本身就已支离破碎。然而，挑战也是机遇。Mergny说：“污染物DNA一般比较新且完整，化石DNA则呈现碎片化，这一差异使得二者容易区分。”
02 站在达尔文的肩膀上：选择压力和免疫变异
千万年来的“自然选择压力”在人类的基因信息中留下了痕迹。气候变化、资源匮乏、猛兽袭击、性选择、寄生虫、病原体都属于自然选择压力。人类的种种性状正是在压力的逼迫下形成。随着人类不断适应环境，有利的基因突变得以保存繁衍。在各种自然选择压力中，古遗传学家最感兴趣的是重大流行病对人类免疫系统进化的影响。
2022年，科学家发现，欧洲人可能在进化过程中正向筛选了某些免疫系统基因，以更好地抵御导致黑死病的鼠疫耶尔森氏菌[3]。16 世纪，欧洲有至少 5000 万人死于黑死病。当年留下的遗传标记在现代欧洲人身上仍能找到。亚洲、非洲没有爆发大规模的黑死病，所以亚非人不携带这些标记。
2023 年，法兰西学院巴斯德研究所的两名生物学家 Gaspard Kerner、Lluís Quintana-Murci发表了一项大型古基因组研究的结果，该研究将 503 个现代欧洲人的基因组与在欧洲大陆发现的2300份来自距今1万年以内的化石基因组进行了比较，发现近90个基因曾经历过突变和自然选择，包括编码乳糖酶的基因（决定肠胃是否耐受乳品）、控制皮肤色素沉着的基因（使得欧洲人肤色较浅）以及对某些传染病（例如黑死病）产生免疫反应的基因。
↑ 图片来源：PI France
研究结果表明，基因突变具有双刃效应：虽然有利于抵抗传染病，但却容易导致自身免疫性疾病、慢性炎症性疾病（糖尿病、克罗恩病）。这种现象被称为拮抗性多效性：物种在进化过程中，为了保证有利性状在自然筛选中胜出，就不得不做出“妥协”。
03 尼安德特人线粒体DNA的独特结构
“自然选择压力”会在基因信息中留痕，这是Mergny目前课题的理论基础。他正在分析了尼安德特人的线粒体 DNA，寻找进化留下的遗传标记以及这种古人类与智人的联系。
由于Mergny偏好研究构造特殊的“叛逆”DNA，而不是规范的双螺旋体结构，所以将位于G-四链体的原始基因序列作为了课题的焦点。“G-四链体由G-四分体构成，在基因组中充当‘节点’的作用。然而，尼安德特人的线粒体节点比智人的线粒体节点在结构上更复杂。如果他们的线粒体增殖过程与我们类似，那么复杂的节点意味着增殖会更困难。由于线粒体是细胞的能量中心，线粒体增殖困难就是一种先天劣势，除非尼安德特人有更有效的酶给节点解旋。”
多年来，科学家们竭尽心力，终于完成了尼安德特人基因组测序工作。未来的研究将以分析他们的核 DNA“节点”为主。尼安德特人曾面临着巨大的自然选择压力。科学家对其灭绝提出了许多假设，包括：食物中毒、身体承受不了炊烟的毒性、饮食不够多样化、过度同类相食等。还有人认为是尼安德特人的认知能力低下，但这是错误的，其实尼安德特人非常有创造力。考古学家Ludovic Slimak认为，尼安德特人灭绝，只不过因为我们智人的生存效率太高了，一旦尼安德特人群体缩小，智人便能立刻占领前者的生存空间。
“尼安德特人不是我们长期以来想象的‘愚笨人’。”
Mergny 指出：“古基因组学表明，尼安德特人不是我们长期以来想象的‘愚笨人’，实际情况恰恰相反。”我们现在知道，他们与智人都具有使用语言的潜力，因为他们的基因组里也有控制语言发展的基因FOXP2及其启动子。他们的社会通过从夫居制度（雌性移居到配偶雄性所在的群落生活） [4]，尽可能地避免近亲繁殖。他们不仅与智人共同生活，而且还与智人杂交并产生后代。如今欧洲人的基因中明显可见千万年前杂交的痕迹。欧洲人的遗传物质中，平均含有 2% 的尼安德特人 DNA。
世界各地的许多课题组都在关注人类基因组中的尼安德特人 DNA成分。最新的结果表明，来自尼安德特人的等位基因影响着我们的免疫反应[5]、对新冠的易感性[6]、通过皮肤色素沉着抵抗紫外线的能力[7]、睡眠周期[8] 和脂质分解代谢[9]。
古基因组学能揭示人类及其免疫系统的进化历程，但这一学科最大的障碍就是难以找到保存完好的古人类DNA。欧洲的温带或寒冷地区气候有利于DNA的保存，但热带和潮湿地区也曾有灭绝的古人类生活。Mergny说：“人类起源于非洲，若古基因组学却只能研究欧洲人，结果的代表性不够强。” 他还指出，古基因组学只有与考古学和古生物学等其他学科相结合，才有意义。考古发现的遗骨往往难以确定具体年代，除非挖掘期间耗费大量时间，采取极其严格的操作标准。遗憾的是，现有的大部分遗骨样本来自多年前的发掘项目，相关档案记录不足或缺失。在遗址里，发现两块骨头距离近，不能够说明它们来自同一时代，二者的死亡时间可能相隔数百年甚至数千年，需要严谨、深入的分析才有可能揭晓真相。
技术的进步无疑将开启人类基因演变研究的新篇章，让更多古人类得以发现。Mergny笑称：“如果我在 20 岁时发现了这片天地，可能就转行做古基因组学了。”
参考资料
- https://academic.oup.com/nar/article/51/14/7198/7217046
- Homo sapiens a par exemple cohabité avec le virus de l’hépatite B pendant dix millénaires, comme l’ont montré des travaux parus dans la revue en 2021. Jean-Louis Mergny a repris ces données, pour montrer que chez ce virus qui provoque des infections chroniques, le contenu en motifs inhabituels avait convergé au cours de l’évolution avec celui de son h te, comme une sorte de camouflage génétique pour éviter ainsi d’être reconnu comme matériel étranger. Ses travaux ont été publiés dans la revue Nucleic Acids Research en 2023.
- https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36261521/
- The opposite of matrilocality, where a couple lives in the man’s family.
- https://www.cell.com/ajhg/fulltext/S0002-9297(15)00485–1
- https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(23)01706–6_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2589004223017066%3Fshowall%3Dtrue
- https://www.mpg.de/11533845/neandertal-dna
- https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5630192/
- https://www.nature.com/articles/ncomms4584#:~:text=Metabolic+changes+associated+with+Neanderthal,Europeans%2C+but+not+in+Asians.
来源：创瞰巴黎
作者：Samuel Belaud
编辑：诸鹏飞
审核：盛捷