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科学家开展古代DNA研究解密过去—威尼斯wns.977

文章作者:科技中心 上传时间:2020-02-26

研究揭示人类基因组如何发生变化

作者:宗华 来源:中国科学报 发布时间:2015/8/10 9:15:08 选择字号:小 中 大 科学家开展古代DNA研究解密过去

最新研究揭示人类基因组如何在几百年或几十年间发生变化

对于他们而言,这些技术带来了令人不安的挑战以及机遇。

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考古学家David Anthony和Dorcas Brown测量了一副来自欧洲大草原的骨架。图片来源:DREW GURIAN

在大型基因组数据库的帮助下,研究人员能探测正在进化中的特征,比如英国人的金发。

美国波士顿,3月一个狂风大作的傍晚,6点半。哈佛医学院新科研大楼二层的大多数研究人员正在享受喝啤酒的时光,但David Reich的实验室仍然忙成一团。分子生物学家Nadin Rohland在加班加点,试图完成对92块青铜时代人类骨头中每一块39万个脱氧核糖核酸碱基的测序。我们真的很忙。Rohland边说边准备着第二天新一轮测序的设备。

图片来源:George Clerk/iStockphot

就在5年前,提取并破译一块化石的基因组同时确保结果未被含有现代DNA的污染物搞混需要付出巨大的努力。如今,多亏了使测序工作得到极大加速并且使结果更加可靠的技术突破,全世界的DNA研究人员被淹没在数据的海洋中。

很多人认为,进化需要几千年或者上百万年,但生物学家知道,它能很快发生。如今,由于基因革命,研究人员实际上可以追踪标志着进化正在进行的种群水平上的基因漂移,并且他们正在人类当中这么做着。近日,在基因组生物学会议上得以展示的两项研究证实了人类基因组如何在几个世纪或几十年间发生变化,并且描绘了自罗马时代以来英国人如何进化得更加高大和白皙,以及在上一代人中一种喜爱吸烟的基因的影响如何在一些人群中变小。

研究成果正在迫使研究古代DNA的专家和试图解密过去的其他研究人员如古人类学家、考古学家和人口遗传学家结下一段勉强的姻缘。对于他们而言,这些技术带来了令人不安的挑战以及机遇。古代DNA同当下流行的观点比如,农耕的发明反映了思想而非人类的扩散相矛盾。但它也使这些科学家得以回答此前无法解决的问题,而且目前很多科学家正在寻求同研究古代DNA的人员之间的合作。

“能研究正在进行中的选择是一件令人激动的事情。”美国哥伦比亚大学进化生物学家Molly Przeworski表示,这些研究表明了人类基因组如何以细微但有意义的方式对新的条件迅速作出反应。“从理解进化的角度来说,它是游戏规则的改变者。”

尼安德特人之争

进化生物学家长期关注新突变在产生新特征方面发挥的作用。不过,一旦新突变出现,它肯定会在某个种群中扩散。每个人都携带着一个基因的两个拷贝,但这些拷贝会在个体内部和个体中间出现轻微的变化。一个拷贝中的突变可能令身高增加,而另一个拷贝或等位基因中的突变或许会让身高减少。如果正在改变中的条件有利于长高,那么高个子的人将拥有更多后代,而编码身材高大的变异体的更多拷贝也将在人群中传播。

古人类学家Chris Stringer在上世纪70年代早期还是一名22岁的研究生,他带着卡尺访遍了欧洲的博物馆,并且将一种新的系统性测量流程应用于其能接触到的尼安德特人和现代人类的所有头骨。开着一辆破旧的莫里斯小车,留着长发,身上的现金勉强够住青年招待所,将一个现代人类的头骨作为乘客,Stringer时不时会引起别人的猜疑。一些研究人员起初拒绝他接触化石,而且捷克警方搜查了他的行李,认为他的到访对捷克斯洛伐克人民没有任何价值。在意大利罗马,盗贼偷走了现代人类的头骨。

在巨大的基因组数据集的帮助下,如今科学家能追踪等位基因频率在很短时间尺度内的进化改变。来自斯坦福大学的Jonathan Pritchard及其博士后Yair Field通过计算在每个基因组中都能见到的独特单碱基变化做到了这一点。这类罕见的单个变化,或者说是单个拷贝基因可能很新,因为它们没有时间在人群中扩散。由于等位基因会在传播时携带上临近的DNA,因此附近DNA上的单个拷贝基因数可被当成粗糙的分子钟使用,从而指示该等位基因在频率上变化得有多快。

威尼斯wns.9778官网活动,不过,Stringer坚持了下来,并且认真测量了那些罕见的骨头。他注意到,尼安德特人拥有低长的头骨,眉脊显著,且面孔中部突出,而较为年轻的现代人类拥有球形头骨和扁平的面部。他据此推断,欧洲的尼安德特人并非像当时人们普遍认为的那样,是那里的现代人类的祖先,而是完全被现代人类替代的单独物种。这使他和聚焦不同解剖特征并且认为尼安德特人同人类祖先进行了异种交配,甚至是智人成员的研究人员产生了分歧。

作为英国“万人基因组计划”的一部分,Pritchard团队分析了收集到的3000个基因组。对于每个基因组中感兴趣的每个等位基因,Field计算了基于附近单个独特突变密度的“单个拷贝基因密度得分”。这种方法能揭示过去100代人,或者说约200年间的选择。

这场明争暗斗持续了数年。与此同时,德国莱比锡马普学会进化人类学研究所古遗传学家Svante P?覿?覿bo用一种不同的冒险路线回答了这个问题:他研究了来自尼安德特人化石的DNA。首先,P?覿?覿bo不得不克服污染问题。比如,穿越欧洲时,Stringer在化石上留下了一连串自己的DNA。但P?覿?覿bo和他的同事最终成功创建了来自3名女性尼安德特人的合成基因组,并将其与现代人类的DNA进行比较。该团队发现,尼安德特人的确拥有不同于人类的基因组,但现在的欧洲人和亚洲人有1%~3%的基因继承自尼安德特人。

斯坦福大学研究生Natalie Telis、Evan Boyle和博士后Ziyue Gao在赋予乳糖耐量(一个使成年人消化牛奶的特征)并且编码特定免疫系统受体的等位基因附近,发现了相对较少的单个拷贝基因。在英国人群中,这些等位基因明显被高度选择,并且迅速扩散。该团队还在决定金色头发和蓝色眼睛的等位基因附近发现了较少的单个拷贝基因,表明这些特征在过去2000年间也在迅速扩散。Field在上述会议的讲话中以及预印本服务器bioRxiv.org上报告了这些发现。一个进化驱动因素可能是英国灰暗的天空:决定金色头发的基因还带来更浅的肤色,而这使得身体在阳光稀缺的条件下产生更多维生素D。也或者受到对金发碧眼伴侣的偏好的驱动,性别选择一直在发挥作用。

这种基因的传承意味着Stringer对于化石的观点是不完整的:尼安德特人至少和现代人类有过一次交配。较新的古DNA分析表明,此类异种交配至少发生过3次,可能是在8.5万年前~3.7万年前的中东和欧洲进行的。P?覿?覿bo团队报告称,一种约4万年前生活在罗马尼亚的现代人类甚至拥有一个尼安德特人的曾曾曾祖父。

其他研究人员对这项新技术表示赞赏。“这种方式看上去能探测到更加细微和普遍的选择信号。”德国马普学会进化人类学研究所进化遗传学家Svante P?覿?覿bo表示。

随后,P?覿?覿bo团队发表了尼安德特人的基因组。他们对来自西伯利亚丹尼索瓦洞的一小块指骨化石进行测序,从而发现了一种和尼安德特人相关但不相同的新人种的遗传学证据。该团队将其称为丹尼索瓦人,并且发现其也和现代人类有过交配,以至于美拉尼西亚人携带了丹尼索瓦人5%的DNA。

作为表明该方法威力的另一个迹象,Pritchard团队还探测到由上百个基因中的微小变化而非单个基因控制的特征选择。这些特征包括婴儿的身高、头围以及对婴儿分娩至关重要的女性臀围。通过研究单个拷贝基因的密度,Pritchard团队发现,对这3个特征的选择发生在最近几千年的基因组中。

尽管古DNA证实Stringer关于人类祖先异种交配的观点是错误的,但他欣然接受新的研究结果。正如瑞士苏黎世大学人类学家Marcia Ponce de Len所言:古DNA回答了形态学无法单独给出结论的问题,并且提出了此前从未被问过的问题。

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