一年一度诺贝尔奖(Nobel Prize)得主于近期公布,备受关注的 2022 年度诺贝尔生理学或医学奖授予瑞典遗传生物学家 Svante Pääbo,Svante Pääbo 教授的开创性研究催生了全新学科:古遗传学(paleogenetics),主要专注于尼安德塔人(Neanderthal)基因体的研究,借此显示现代智人(Homo sapiens)基因特殊性,更揭开古人类基因组影响到现今人类的免疫系统功能,这些发现对于人类演化历史的探索又往前迈进一步。
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考古证据显示智人(Homo sapiens)约在 30 万年前首次出现于非洲大陆,而与现代人类演化关系最近、现已灭绝的尼安德塔人(Neanderthal)约 40 万年前到 3 万年前生活于欧洲、西亚地区。大约 7 万年前,一批智人由非洲迁移到中东,由此推论尼安德塔人与智人在欧亚地区共存了数万年。现今人类与已灭绝的尼安德塔人有什么关联?古人类的基因组特性如何影响现代人类?Svante Pääbo 从尼安德塔人的古 DNA 定序研究拼凑线索。
从粒线体 DNA 还原古人类基因
要分析已灭绝的尼安德塔人基因资讯并不容易,随着时间推移 DNA 会被降解成短片段,最终只剩下微量 DNA,除此,残存至今的 DNA 也可能受到环境微生物或其他污染难以维持完整性。面临基因样本取得不易的挑战 ,Svante Pääbo 团队转往分析已灭绝人种的粒线体 DNA(mitochondria DNA)。粒线体基因组平均只有 165,00 bp(相较核 DNA 高达 3,000,000,000 bp),但粒线体 DNA 拷贝数可高达数千组,因此更有利分析。
古人类 DNA 分析样本示意(Source: The Nobel Prize)
拼组出尼安德塔人到现代人类的演化地图
从古人类粒线体 DNA 分析着手,Svante Pääbo 团队不断精进改良的古 DNA 修复技术。2008 年,他们从一块 4 万年前的骨头标本中首次得出古人类基因定序成果,结果显示与现代人类或黑猩猩的基因组并不相同,他们将这种古人类命名为 Denisova(Denisova 为西伯利亚南部,取得骨头样本出处),并于 2010 年发布第一项尼安德塔人的基因组序列,成果发表在 Nature, Science 各大顶尖杂志。
智人、尼安德塔人、Denisova 的演化分支关系图(Source: The Nobel Prize)
团队后续继续将古人类基因组与来自世界各处的现代人类基因序列比较,得知 Denisova 与智人之间来往而产生过基因流动(gene flow)交流现象,在太平洋 Melanesia 群岛、东南亚地区的现代人基因组中携带高达 6% Denisova 的 DNA。
而 Svante Pääbo 团队系列研究拼凑出人类演化史更完整脉络。当智人迁出非洲后,当时至少有两个现已灭绝的人种居住在欧亚大陆:尼安德塔人生活在欧亚大陆西部,Denisova 居住在欧亚大陆东部地区。比对基因结果也佐证在智人向非洲以外地区扩张过程中,与尼安德塔人、Denisova 人都发生了基因交流现象。现代欧洲或亚洲人种基因组中,大约 1-4% 来自尼安德塔人。
(Source: The Nobel Prize)
这套分析方法也遇上一些限制,由于非洲的热带气候环境会加速降解 DNA,因此截至目前为止他们尚未能定序分析来自非洲已灭绝古人类的基因组。
开启古遗传学的新时代
Svante Pääbo 的突破性研究开创新学科古遗传学(paleogenetics)出现,Svante Pääbo 团队更加广泛分析其他许多已灭绝人类的基因组,以深入了解人类迁移与演化历史。
人类演化历程不仅是远古的事件,基因交流的过程还影响到现代人类的生理机能。例如 Denisova 人种的 EPAS1 基因常见于现今的藏人基因中,该基因与调节血红素(hemoglobin)浓度和携氧能力有关,因此赋予藏人在高海拔地区的适应力。另外也有与尼安德塔人相关例子,来自尼安德塔人的基因型影响现代人类在接触到不同感染源诱发的免疫反应。
Svante Pääbo 的长年研究关注智人与已灭绝人类的遗传差异,透过这些差异解释人类起源与演进历程。
“Svante Pääbo 创造了这个领域,他解开了许多关于人类演化的秘密。”曾与 Svante Pääbo 共识、也获得过诺贝尔奖殊荣的 University of Vienna 考古学教授 Katerina Douka 如此形容。
延伸阅读:2021 诺贝尔生理医学奖:从温度到触觉,人如何感知外在环境刺激?参考资料:
1. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2022/press-release/
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