分类
普林斯顿大学新闻

起源故事:通过我们的DNA改写人类历史

在我们进化史的大部分时间里——从解剖学上讲,现代人类在地球上的大部分时间里——我们与其他人类物种共享地球。直到最近3万年,也就是人类进化史上的一瞬,现代人类才作为古人类谱系的唯一代表出现在地球上。

但我们随身携带着这些其他物种的证据。潜伏在我们基因组里的是来自各种已不复存在的远古人类的遗传物质的痕迹。这些痕迹揭示了我们的直系祖先与远古人类相遇并结合的漫长历史。随着我们使用越来越复杂的技术来研究这些基因联系,我们不仅了解了这些已经灭绝的人类,还了解了我们作为一个物种是如何进化的更大的图景。

刘易斯-西格勒整合基因组学研究所(Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics)教授乔舒亚·阿基(Joshua Akey)正在带头努力,以理解这幅更大的图景。他把他的研究方法称为基因考古学,它正在改变我们学习过去的方式。“我们可以直接从DNA中挖掘不同类型的人类,而不是从泥土和化石中,”他说。

Map of places where DNA have been found

刘易斯-西格勒综合基因组学研究所(Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics)教授约书亚·阿基(Joshua Akey)使用一种他称之为基因考古学的研究方法,来改变我们对过去的认知方式。化石证据表明,尼安德特人和丹尼索瓦人这两种灭绝已久的古人类物种正在扩散。现代人携带这些物种的基因,这表明我们的直系祖先曾与古人类相遇并交配。

Akey将他在生物学和达尔文进化论方面的专业知识与计算和统计方法结合起来,研究现代人与两种已灭绝的原始人之间的基因联系:尼安德特人,古人类学家经典的“穴居人”;还有丹尼索瓦人,一个最近发现的古人类。阿基的研究揭示了早期人类相互融合的复杂历史,表明了全球数千年的人口流动。

“常常有研究人员之间的分裂出去收集异国情调的样本和研究人员谁做真正创造性的理论和数据分析,和他所做的,”凯利哈里斯说,阿奇的前同事现为华盛顿大学基因组科学助理教授。

像我们中的许多人一样,Akey一直对人类物种是如何进化的很感兴趣。“人们想了解他们的过去,”他说。“但更重要的是,我们想知道身为人类意味着什么。”

这种好奇心贯穿了他的整个学校生活。上世纪90年代末,他在休斯敦的得克萨斯大学健康科学中心(University of Texas Health Science Center)读研究生期间,研究了世界不同地区的现代人在基因上是如何相互关联的,并使用早期基因测序方法试图理解这些关系。

基因测序仪是确定构成DNA分子的四种化学碱基(A、T、C和G)顺序的设备。通过确定这些碱基的顺序,分析人员可以识别编码在DNA链中的遗传信息。

然而,自20世纪90年代以来,基因测序技术取得了巨大的进步。一项被称为“下一代测序”的新技术在2010年前后投入使用,使研究人员得以研究人类基因组中的大量基因序列。人类用了10年的时间才完成了第一个人类基因组的测序,但这些新机器在短短几小时内就从成千上万的人身上获得了完整的基因组序列数据。“当下一代测序技术开始成为遗传学的主导力量时,”Akey说,“这完全改变了整个领域。这项技术的戏剧性是怎么说都不为过的。”

现在可以分析的数据的规模使研究人员能够解决大量的新问题,而以前的技术是不可能解决这些问题的。

Joshua Akey surrounded by machines that help analyze DNA samples

约书亚·阿基和他的团队利用基因测序技术揭示了关于古人类谱系以及我们自己的进化史的新信息。

其中一个问题是现代人和古人类(如尼安德特人)之间的关系。事实上,这个问题引发了一场关于现代人是否携带尼安德特人基因的激烈争论。多年来,研究人员的意见——赞成的和反对的——像节拍器一样来回跳动。

然而,渐渐地,一些研究人员——包括德国马克斯·普朗克研究所的遗传学家斯万特·帕博和他的同事、加州大学圣克鲁斯分校的理查德·格林(Ed Green)——开始证明确实存在尼安德特人向现代人传递基因的有力证据。在2010年的一篇论文中,这些研究人员估计,非非洲血统的人大约有2%的尼安德特人血统。

尼安德特人在大约3万年前灭绝之前,生活在横跨欧洲、近东和中亚的广阔地域。他们与20万年前在非洲进化的解剖学上的现代人一起生活。考古记录显示,尼安德特人擅长制造石器,并发展出许多独特的身体特征,使他们适应寒冷、黑暗的气候,如宽鼻子、浓密的体毛和大眼睛。

在Paabo和Green的尼安德特人研究之后,Akey和他的同事Benjamin Vernot在《科学》杂志上发表了一篇论文,研究如何从现代人的基因组中恢复尼安德特人的序列。哈佛大学的遗传学家David Reich在《自然》杂志上发表了一篇类似的论文,这两篇论文共同提供了利用现代基因组来调查我们与尼安德特人之间联系的首批数据。 

利用当代人群的遗传变异来了解过去发生的事情,需要仔细研究现代人类基因组,寻找那些显示出可能是从另一种人身上遗传来的特征的基因序列。Akey和他的同事将这些序列与尼安德特人的基因组进行比较,寻找匹配的基因。 

利用这项技术,Akey已经能够在以前没有想到的规模上发现丰富的人类遗传相互联系的遗产。如前所述,虽然现有证据表明非非洲人携带了大约2%的尼安德特人基因,但曾经被认为与尼安德特人没有任何联系的非洲人实际上携带了大约0.5%的尼安德特人基因。研究人员进一步发现,尼安德特人的基因组与现代人类出现的几种疾病有关,如糖尿病、关节炎和乳糜泻。出于同样的原因,从尼安德特人那里遗传来的一些基因被证明是有益的或中性的,比如头发和皮肤颜色、睡眠模式甚至情绪的基因。

阿基还发现了基因指纹,表明我们的人类祖先中有我们一无所知或知之甚少的物种。丹尼索瓦人就是一个很好的例子。作为一种古老的人类形态,他们与解剖学上的现代人和尼安德特人共存,并在灭绝前与这两种人杂交。它们存在的第一个证据出现在2008年,当时在西伯利亚南部偏远的阿尔泰山脉的Denisova洞穴里发现了一根指骨。起初,这块骨头被认为是尼安德特人的,因为洞穴里有这些物种的证据。因此,在被分析之前,它在德国莱比锡的一个博物馆抽屉里放了很多年。但当它被发现时,研究人员目瞪口呆。它不是尼安德特人,而是一种至今仍不为人知的古人类。阿基说:“丹尼索瓦人是第一个直接从他们的DNA而不是化石数据识别出来的物种。”

从那时起,继续遗传工作——大部分是由阿奇和他的同事——建立了丹尼索瓦人的亲缘关系最近的现代梅拉尼西亚人的祖先,西太平洋的美拉尼西亚群岛的居民-新几内亚等地,瓦努阿图,所罗门群岛,斐济。这些种群携带着4%到6%的丹尼索瓦人基因,尽管他们也携带着尼安德特人的基因。

阿基说,这样的例子突出了我们人类血统的主要特征之一,即外加剂一直是我们历史的决定性特征。阿基说:“纵观人类历史,外加剂一直存在。“人口分裂,然后又重新聚集在一起。”

Cover of Discovery magazine

尽管关于丹尼索瓦人仍有很多争论,但阿基认为他们很可能与尼安德特人有密切的关系,尼安德特人可能是在30万或40万年前从尼安德特人分裂出来的东部人。最近,对丹尼索瓦洞穴化石的基因分析发现了尼安德特女性和丹尼索瓦男性之间有后代的证据。她的后代是一位生活在大约9万年前的女性。通过研究这一遗传线索,阿基和其他研究人员已经能够拼凑出一个关于人类进化的迷人故事——这个故事有望改写我们对早期人类起源的理解。

但阿基说,还有更多的东西有待发现。他说:“尽管我们已经完成了大约10万个基因组的测序,而且我们有相当复杂的工具来研究这些变异,但我们越是思考如何解释遗传变异,我们就越能在我们的DNA中找到这些隐藏的故事。”

这篇文章最初发表在该大学的年度研究杂志《发现:普林斯顿的研究》上。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.princeton.edu/news/2019/12/18/origin-story-rewriting-human-history-through-our-dna