十谈“2022年诺贝尔生理学或医学奖”（连载之二）

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十谈“2022年诺贝尔生理学或医学奖”（连载之二）

话题二：

基因组测序揭开丹尼索瓦人面纱

每年年底，科学界顶级刊物美国《科学》（Science）杂志都会按惯例评选出年度十大科学突破。在评选出的2012年度十大科学突破中，与古人类学研究相关的是“丹尼索瓦人基因组”。

这项成果由德国马克斯·普朗克人类进化研究所（the Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology）的斯文特·帕博（Svante Pääbo）研究小组取得，他们创建一种将特定分子绑定在DNA单链上的“扩增单链DNA”新技术。

借助这一技术，仅用一块远古丹尼索瓦人（Denisovan）人的小手指骨化石碎片，就完成了丹尼索瓦人的全基因组测序。值得一提的是，由于这段指骨化石保存极为完好，再加上高精度的测序技术，其准确度甚至超过了2003年发布的人类基因组图谱。相关研究论文发表在2012年8月30日出版的《科学》（Science）杂志上。

诺奖官方账号说得知获奖消息时，帕博教授正在喝咖啡。

1、新技术精确测序丹尼索瓦人基因组

人类祖先留给后人的信息很少，考古学家们只能通过分析骨骼、劳动工具和装饰品等间接信息来猜测人类的历史，可靠性不高，所以被称为“史前史”。DNA的发现改变了这一切。遗传密码就像一本历史书，忠实地记录了人类祖先的故事。不过，这本书经常残缺不全，而且很难读懂，这就是为什么人类学家们总是在不断地对前人的研究结果做出修正。

随着人类基因组全序列的破解，以及从化石中提取DNA技术的进步，关于人类史前史的研究近几年突飞猛进，不断传出震惊世界的大新闻，对古人类丹尼索瓦人的研究就是典范。

早在2008年，俄罗斯科学研究院的安托里·德列凡科教授和米查尔·舒恩科夫教授在西伯利亚南部阿尔泰山丹尼索瓦洞(Denisova Cave)的古遗址中，发现了一小块手指骨的碎块和一颗牙齿的化石，和目前已知的任何古人类化石都不一样。同位素分析表明，这两块化石距今大约4万年左右，但考古学家至今尚未发现任何其他类似化石。

丹尼索瓦山洞

一个名为丹尼索瓦的石器时代的洞穴中出土了一根古人类的手指骨。

阿尔泰山丹尼索瓦洞(Denisova Cave)古遗址想象图

2010年，斯文特·帕玻领导的一个国际研究小组，对从小手指骨碎片化石中提出的DNA样品进行了基因组测序。结果发现，这两块化石的主人既不是早期现代人，也不是人类祖先尼安德特人（Neandertal），而属于一个全新的人类亚种，考古学家们按照惯例，称其为丹尼索瓦人（Denisovan）。

丹尼索瓦人（Denisovan）复原图

2010年5月7日，《科学》杂志公布了包括尼安德特人约60%基因组的序列图。斯文特·帕玻领导的团队，将测序结果与来自世界5个地区的现代人基因组进行比较后发现，现代人的祖先与尼安德特人非常可能曾在小范围内通婚，时间可能是现代人的祖先走出非洲之后，在中东遇到尼安德特人的时候。现代人有大约1%至4%的DNA源自尼安德特人。

根据该团队发表在2010年12月23日出版的《自然》杂志上的论文，发现丹尼索瓦人和尼安德特人是姐妹群关系(由同一祖先衍生的两个分支)，他们的祖先早前便与现代人类的祖先分道扬镳。丹尼索瓦人的部分基因序列仍存在于现代美拉尼西亚人中，为之贡献了4–6%的基因，这意味着两类人群之间曾有通婚。

但是上述这些基因组图谱的质量都不够高，所以很难借此得到比较可靠的结论，不能发现明确的差异。因此，有人曾经针对上述两篇远古人类基因组论文的研究成果表示过质疑。为此，研究人员试图得到高质量的基因组图谱。测序精度不够的原因之一，就是因为远古人类的DNA都已经碎片化了，而且大部分DNA从骨骼化石里提取出来之后都已经断裂成单链了。

2012年2月，斯文特·帕玻研究小组从丹尼索瓦人手指骨化石提取出10毫克DNA样本，打算对其进行全基因组测序，以便弄清丹尼索瓦人和现代人、尼安德特人之间究竟是怎样一种关系？。利用极少的样品，对已经历经了数万年降解过程的远古DNA样品进行基因组测序，在当时被认为这是一种不可实现的任务。斯文特·帕玻研究小组的马蒂亚斯·迈耶(Matthias Meyer)等人研发了一种能够扩增DNA单链的新技术，使DNA双链中的任何一股链条都可用于测序马蒂亚斯·迈耶在单链DNA模板的末端加上了一段特异性分子，然后单链DNA分子就可以被固定住，继而由酶合成出双链DNA产物。。利用这种方法，研究小组对丹尼索瓦人基因组的每个位点进行了多次的测序。

实际上有很多人都有这样的感觉。但是加拿大麦克玛斯特大学（McMaster University in Hamilton, Canada）的遗传学家Hendrik Poinar却是个例外，他知道这个工作可不是表面看起来那样简单，研究这个课题需要耗费大量的时间和经费，因为他的实验室也在从事单链DNA扩增这方面的研究，可惜的是结果没Meyer等人的那么好。

2012年8月，斯文特·帕玻研究小组完成丹尼索瓦人全基因组测序。

这是一个非常详尽的基因组序列，类似于现代人类基因组研究中取得的基因组序列质量。在他们的丹尼索瓦人全基因组测序工作中，99%以上的核苷酸都至少接受过10次测序。所以，他们得到的这位远古丹尼索瓦人的基因组序列图谱，其精度丝毫不逊色于任何一份现代人基因组序列图谱。

据斯文特·帕玻介绍，没人能够想到他们可以拿到一份质量如此之高的远古人类基因组图谱，每一个人都惊呆了，包括斯文特·帕玻自己。

2012年8月30日，斯文特·帕玻小组的研究论文《对于一例古代丹尼索瓦人个体DNA的高覆盖基因组序列测定》（A High-Coverage Genome Sequence from an Archaic Denisovan Inpidual）在《科学》杂志发表。

有专家评论：斯文特·帕玻研究小组创建的扩增DNA单链的新技术，对远古人类研究工作是一场革命，有划时代意义。

2、基因组阐明丹尼索瓦人与现代人类之间的关系

通过这份丹尼索瓦人全基因组高清图谱，大致可以了解到这块丹尼索瓦人手指骨化石的主人是一名5至7岁的女孩，她的眼睛、头发和皮肤都是棕色的，生活在7.4万年至8.2万年之间，死于西伯利亚。

德国科学家的创举在于发明了从单链DNA开始测序的新方法，而非传统意义上的双链DNA。通过将特殊的分子结合到单链的末端，使古代DNA在酶拷贝其序列时能够保持不变。于是从不足10毫克的女孩手指骨样本中，测序得到的丹尼索瓦人DNA增加了6到22倍，让研究人员得以覆盖基因组中99.9%的可标记核苷酸位点至少1次，而超过92%的位点至少被覆盖了20次，从而能够可靠地识别基因位点。在31个基因拷贝中，大约有一半来自女孩的母亲，另一半来自她的父亲。

通过比对丹尼索瓦人和现代人类基因参照组并统计突变数量，研究人员计算出丹尼索瓦人和现代人类最终于17万年到70万年之前分化出来。研究人员同时通过估计不同基因谱系的年龄，以及该女孩从父母处分别获得的染色体的差异数，估算出了古代丹尼索瓦人的人口规模。他们发现丹尼索瓦人本来就极低的遗传多样性在40万年前变得更低，说明当时他们的人口数量很少。与之相反，我们祖先的人口数量在他们迁离非洲前明显翻了一番。

新的发现对于现代人起源理论的影响是非常巨大的。

关于现代人起源国际上主要存在两种不同的学说，一种是“取代说”，认为在大约二十万年以前，在非洲就出现了身体结构和我们几乎相同的、像我们现在这样长相的人，大概在十万年以前，她的后代就走出非洲，到亚洲和欧洲，以后大概到六万年以前到中国，因为某些原因，他们到达的地方原来生活着的古人类全都绝种了，这样从非洲走出的这些人就不与当地居民发生任何通婚而直接全部取代。

另一种学说就是“多地区进化说”，认为大约二百万年以前从非洲走出的原始人在欧洲和亚洲各地繁衍产生后代，它们随时间相对独立地进化，但各地区间进化线之间互相有交叉，就是说有基因的交流，越早期越少，越到晚期越频繁，直至发展成了现在的人类。丹尼索瓦人这一新的古人类类型，表明现代人起源远远没有单纯的取代说这么简单，在同一时期很有可能存在尼人、现代人、丹尼索瓦人甚至更多未被发现的新的类型的古人类。

研究人员将丹尼索瓦人的基因组序列，与尼安德特人的基因组序列和11名来自世界各地的现代人的基因组序列进行了对比。结果发现，丹尼索瓦人和尼安德特人是姐妹群关系（由同一祖先衍生的两个分支），他们的祖先早前便与现代人祖先分道扬镳。

具体说，现代人的祖先大约在40万~50万年前和丹尼索瓦人的祖先分道扬镳，各自发展成一个独立的亚种。大约20万年前，丹尼索瓦人的祖先走出非洲，然后兵分两路，一路北上，最终定居在欧洲和西亚，他们就是尼安德特人（Neanderthal）；另外一支人马向东挺进，最终到达了东亚地区，他们就是丹尼索瓦人。之后又过了很长的时间，也就是距今大约7万年左右，现代人的祖先才终于鼓起勇气走出非洲，开始了征服世界的旅程。

对于斯文特·帕玻的课题组最令人激动的莫过于他们终于得到了近乎完整的丹尼索瓦人和现代人的基因差异（突变）“名单”。在这份清单里共计有11.1812万个SNP位点，这些突变都是现代人在近10万年的进化历程里新出现的。其中有8个突变位点都位于与神经系统发育相关的基因里，其中包括与树突和轴突生长相关的基因以及一个与自闭症相关的基因。斯文特·帕玻对其中一个受到FOXP2基因调控的基因发生的突变尤其感兴趣，因为这很有可能与语言障碍有关。

3、丹尼索瓦人与现代人类祖先有过跨种交配

令人惊奇的是，研究人员发现丹尼索瓦人与现代人类祖先有过跨种交配，它与巴布亚新几内亚人有最多的相同基因，与亚洲和南美洲人的亲密关系高于欧洲人。但这也可能反映了，现代人类与丹尼索瓦人的近亲尼安德特人之间的跨种交配，而不是来自丹尼索瓦人本身的基因流动。这些发现意味着人类族谱至少有3 个截然不同的成员，分别是现代人、丹尼索瓦人和尼安德特人。

此外，他们还确定了巴布亚人的丹尼索瓦人DNA大多位于常染色体（通常分别来自父方和母方）而不是X染色体（通常两条都来自母方）上。这种神奇的模式表明了几种可能的场景，包括男性丹尼索瓦人与女性智人杂交，或者这两个种族在基因上不兼容，由于自然选择而清除了一些X染色体。

和现代智人情况一样，单个人的基因也不能准确地说明所有丹尼索瓦人的基因和特性。但是，仅仅一个基因组就可以显示出一整个群体的遗传基因多样性。我们的每一个基因组都包含着好几代人的信息，远远不止我们的父辈和祖父辈。科学家们可以比对从双亲那里继承来的每一个染色体上的基因然后向前推几代人。

斯文特·帕博（Svante Pääbo）

那么，这种杂交到底对现代人产生了怎样的影响呢？科学家们认为智人的祖先从丹尼索瓦人和尼安德特人那里得来的基因帮助他们增强了抵抗病菌的能力。这个结论同样来自基因序列分析。分析结果表明，人类基因组内含有的某一组HLA（人类白细胞抗原）基因来自丹尼索瓦人，另一组HLA基因来自尼安德特人，已知HLA基因编码人类白细胞抗原，这种抗原可以被看做是人类细胞的身份标记，是人体免疫系统区分敌我的基础所在，人类获得了这两组HLA基因后增强了识别病菌的能力，免疫力获得了极大地提升。

进一步的分析显示，尼安德塔人和丹尼索瓦人的HLA基因在现代欧洲人和亚洲人的免疫系统相关DNA中占有超过半数的位置。这些基因在稍晚时候也传播给了非洲人。例如，HLA-A型基因存在于尼安德塔人和丹尼索瓦人的基因组中。这个基因对于之后的现代人贡献很大：95.3％的巴布亚新几内亚人有这一基因，还有80.7％的日本人、72.2％的中国人、51.7％的欧洲人以及6.7％的非洲人。这些百分数提示了我们现代人迁移和通婚的方式。科学家们认为，一些现代人于67500年前离开了非洲。与其它人种通婚的证据出现于5万年前。

仔细想想，这件事很好理解。当现代智人离开非洲，踏上陌生的土地时，尼安德特人和丹尼索瓦人已经在那里生活了几十万年，对新大陆的病菌早就产生了抵抗力，智人通过与自己的两位远亲杂交，找到了一条增强抵抗力的捷径。事实上，智人绝不是唯一通过杂交提高生存能力的物种。根据《自然》杂志发表在2007年的一篇论文分析，自然界大约有10%的动物物种和25%的植物物种是通过种间杂交而产生的。明杂交虽然可以获得某些遗传优势，但更可能的结果是负面的。人体的自免疫疾病就与上面提到的HLA基因有关。LA基因毕竟是属于别人的，智人祖先“偷”到了这两件宝贝，却没有足够的时间让它们适应自己的身体，其结果就是双方有时会不兼容，最终导致免疫系统敌我不分，攻击自身，这就是自身免疫疾病的由来。

人类对于自身来源的探索从未停止过，这个复杂的谜团也将是一个吸引世世代代的科学家的话题。科学界每一个新发现都会引起人们极大的关注，也带来了科学家们的强烈质疑和各方揣测，我们用有限的知识去探究人类无穷的进化空间，这本身就是一个相当复杂的问题，但真相只有一个，人类学各个领域的研究终将得到共同的结论，相信会有更多证据为我们揭开人类进化的神秘面纱。

【1】奇云.丹尼索瓦人基因组——2012年生命科学研究的六大突破之一[J].生命世界,2013(5):46-47.

【2】奇云.DNA元素百科全书——2012年生命科学研究的六大突破之一[J].生命世界,2013(5):54-55.

【3】奇云.发现“小矮人”——改写人类族谱的发现[J].世界科学,2004（12）18-20.

【4】奇云."小矮人"骸骨可能改写人类进化史[J].生物学教学,2005,30(6):57-59.

【5】奇云.《魔戒》中的"小矮人"并非虚构[J].科技中国,2005(12):86-89.

【6】奇云.人与猿的相同与不同(下)[J].飞碟探索,2012（5）:38-40.

【7】奇云.人与猿的相同与不同（上）[J].飞碟探索，2012（4）：38-40.

【8】奇云.人与猿的相同与不同（下）[J].飞碟探索，2012（5）：38-40.

【9】奇云.人为何会分出了男女两性[J].婚育与健康,2013（12X）:58-59.

【10】奇云.人猿相“辑”别[N].中国社会科学报，2012年3月19日第281期第A08版

【11】奇云.黑猩猩和人类的分子“进化钟”运转最慢[N].中国社会科学报，2012年3月19日第281期第A08版

【12】奇云.生命天书打开新篇章——人类第16号染色体成功破译[J].世界科学,2005（2）:12-13.

【13】奇云.人类的第一份生命蓝图[J].科学之友（上），1994（8）:11-12.

【14】奇云.人类为什么会说话——"语言基因"探秘[J].发明与创新,2003（2）:40-41.

【15】奇云.祖先是谁?基因说了算[J].世界科学,2005（12）:13-15.

【16】奇云.古生物复活探索纪实[J].中国科技纵横,2006（5）:32-35.

【17】奇云.科学"伊甸园"走出"线粒体夏娃"[J].世界科学,2004（8）:9-12.

【18】奇云.关于"人之初"的争论[J].生物学教学,1989（2）:25-26.

【19】奇云.人类基因组计划:过去,现在和将来[J].化石,1995（1）:2-5.

【20】奇云.600万年前的浪漫情缘——现代人类是原始人类与黑猩猩结合的产物?[J].生命世界,2006(6):36-39.

【21】奇云.2013值得关注的6大科学领域[J].科技潮,2013(3):54-57.

【22】奇云.黑猩猩与人类基因相似度达96%以上[J].生物学通报,2006,41(2):13-14.

【23】奇云.人类基因组计划:过去,现在和将来[J].化石,1995（1）:2-5.

【24】奇云.人科动物基因组测序全部完成大猩猩,黑猩猩和猩猩,谁与人类最亲近?[J].生物进化,2012(2):27-35.

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