开创古DNA技术研究的全新时代-解读2022年诺奖得主帕博的贡献

作者 吴苡婷 首发于上海科技报

10月3日17时30分，2022年诺贝尔生理学或医学奖评选结果揭晓，今年单独授予瑞典生物学家、进化遗传学权威斯万特·帕博，以表彰他“对已灭绝人种的基因组和人类进化的发现”。

诺奖官方的评价为：斯万特·帕博进行了一系列看似不可能的开创性研究，例如对古人类尼安德特人的基因组进行测序；并且，他惊人地发现了一种以前未知的古人类丹尼索瓦。重要的是，帕博还发现，在大约7万年前从非洲迁出后，基因从这些现已灭绝的人种转移到智人身上。这些古老的基因对当今人类具有生理意义，例如影响着我们的免疫系统对于感染的反应。

帕博为何能摘得诺奖，他究竟做出了哪些贡献，记者采访了相关专家。

帕博挑战的是高难度又冷门的研究领域

上世纪90年代，人类进化遗传学方面有一个学派，被喻为是加州学派（California School）主要有两位代表性人物，一位是最早提出非洲起源说的阿兰·查尔斯·威尔逊（1934-1991），上世纪80年代，在加州伯克利分校工作时，威尔逊通过对全球现代人样品中线粒体DNA（mtDNA）的研究，发现构建的全球现代人的进化根部聚于非洲人群，说明至少在母系的角度上看最早的现代人来自于非洲，从而提出了“线粒体夏娃”假说，威尔逊是帕博的导师。还有一位是斯坦福大学的路卡·卡瓦利-斯福扎，其是复旦大学校长金力院士在斯坦福大学做博士后工作时的导师。斯福扎从原始人类三次走出非洲开始，围绕人类多样性的发展和形成，研究了智人如何从众多人属种群中脱颖而出，迁徙、融合、进化，最终分布到世界各个角落的波澜壮阔的历程。

金力介绍说，威尔逊的实验室和斯福扎的实验室离得很近，师生们会一起讨论学术问题，以师兄弟相称。但他与帕博交流最多的时间是2005年。

1997年，帕博担任马普进化人类学研究所所长。1999年，他创立了马克斯普朗克进化人类学研究所，2005年，中国科学院和德国马普学会合作成立计算生物学伙伴研究所，金力是创始所长之一，因此有机会与帕博进行深度交流。

“用现代人群DNA反推到古代可推测人类进化的历史，但需要古DNA的证据去佐证，帕博就是执着在这个领域努力。事实上，古人骨头里的DNA是痕量的DNA，很难提取，而且容易被污染，当时这个领域很少有科学家愿意做，也拿不到科研支持经费。”金力说。

帕博突破了古DNA提取技术的瓶颈问题

复旦大学文物与博物馆学系/科技考古研究院副教授文少卿告诉记者，古DNA研究一度是充满质疑的领域。伴随分子生物学的发展，古DNA研究也经历了三个发展阶段，第一个阶段是分子克隆阶段，当时的科学家都会去寻找一些古人类的软组织去做研究，帕博也曾经去木乃伊上找研究材料。第二个阶段是PCR技术的兴起，但是扩增技术极易引发污染，古人类的DNA片段都是破碎和断裂的，现代污染物通常更容易扩增，当时出现一个新的科研成果，大家首先想到的是样本会不会是污染，而非古代序列。在那个时期发表的成果其实是污染的例子很多。之后出现了高通量测序技术，测序通量大大提高。在这个技术出现后，帕博团队利用自己在分子克隆和PCR技术阶段积累的防止污染的经验，建立了从古DNA提取到鉴定，以及污染评估的一套标准流程，他让古DNA技术在人类进化遗传学学科中“站立”起来。今天，全球古DNA技术的从业者都受益于帕博团队建立的古DNA技术和行业标准，复旦大学也是受益者。

“帕博的突破也让大大提升了比较基因组学的科研能力，特别是揭示了尼安德特人、丹尼索瓦人等古人类基因组数据。比较基因组学是在基于基因组图谱和测序基础上，通过基因组比较来了解基因的功能、表达机理和物种进化。这样我们才有技术基础去了解古人类之间进化历史的细节。”文少卿说。

帕博首次展现了丹尼索瓦人的基因组序列

2008年，帕博在西伯利亚南部的丹尼索瓦洞穴中发现了一块4万年前的手指骨碎片。这块骨头含有保存极为完好的DNA，帕博的团队对其进行了测序。结果发现，与所有已知的尼安德特人和现代人的序列相比，该DNA序列是独一无二的。

文少卿介绍说，之后帕博揭示了丹尼索瓦人、尼安德特人和现代人之间的关系。一开始，出非洲替换说认为晚期智人之间是竞争和完全替代的关系，但帕博的研究结论是三种古人类之间有混血，我们的祖先在不同区域遇到了丹尼索瓦人和尼安德特人，进行了基因交流。今天，在欧亚大陆上，每个现代人的基因中融入了1%-4%的尼安德特人以及多至5%来自丹尼索瓦人基因。

“最典型的就是发现丹尼索瓦人有一个和高原生活适应的基因片段EPAS1，这个基因在青藏高原高海拔人群中是高频出现。很有可能的一种情况是汉族和藏族在6000多年前分开后，低地人群和高海拔采集狩猎人群通婚，适应高海拔的基因就这样被固定下来，帮助汉藏分离后的人群能够适应高海拔的气候。事实上，帕博还在全球研究中看到了很多类似的现象，古人类的基因就这样渗透到了现代人基因中去。”文少卿说。

目前，古人类学的研究已经形成了化石、古蛋白质、古DNA三位一体的研究体系。少卿说，值得一提的是中科院古脊椎动物与古人类研究所研究员倪喜军近期完成了全球最成体系的古人类化石数据库，相关成果的介绍发表在人类学学报上。古DNA技术是金标准，但在化石保存不好，古DNA提取不出的情况下，古蛋白组技术也能很好地用于古人类关系比较。

帕博让疾病的探究回归到了遗传学本源

“这次帕博得诺奖，对我们学科来说是一个好消息，国内开始注重考古学，也在推动分子考古学，分子考古学为考古学提供了新的工具、新的视角、新的内容和信息。”金力说，但更有意义的是，帕博的努力让疾病探究回到了遗传学的本源，过去我们从基因出发去研究表型，研究疾病，现在我们希望从表型组出发，去研究基因和表型之间的关系。

文少卿介绍说，之前大家会特别关注在疾病治疗、应用和转化方面的重大科研成果。但是帕博做的是从0-1的基础性研究，基础性研究才是创新之源。帕博团队的工作一方面开创了古基因组学研究的新范式，一方面，不同古人类的基因组也为我们理解疾病的根源提供了帮助。例如，基因组中发现了大量具有生理效应的古人类遗传贡献，如免疫系统、脂类代谢系统、高海拔适应；来自尼安德特人的遗传变异也给现代人带来了医学上的影响，如 II 型糖尿病, 幽门螺杆菌易感性以及抑郁症、日光性角化病、血液高凝等疾病。