现代人体内发现渗入古人类基因:是毒药还是宝藏?

知识分子 2020-09-17 08:57

克利夫兰自然历史博物馆中,现代人(左)与尼安德特人(右)颅骨对比。

图源:hairymuseummatt/Wikimedia Commons

 

- 引 言 -

世界上现存的人类都属于智人(Homo sapiens),但在我们智人的体内里,还有着直系祖先之外的其他古人类基因。


 

撰文丨何纾宇

责编丨戴   威

 
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1980年,考古学家默克·莫尔兹(Mirko Malez)和同事们在克罗地亚的温迪加洞穴(Vindija Cave)中发现了一批骨骼化石。这些化石大部分属于古人类的一支——尼安德特人。

尼安德特人的化石痕迹最早于1856年发现于德国尼安德河谷,该类群也因此得名。在外形特征上,尼安德特人可能相对现代人更加矮壮,有更宽的桶型肋骨和骨盆,以及较短的前肢比例。这些结论是根据考古发掘中相对完整的化石证据重构和推测得出的。

而在1980年发掘出的化石样品中,有些较小或残缺,从形态学上看并没有明显的研究价值,在编号之后便被保存起来。莫尔兹也许并未想到,这些不起眼的骨骼残片会在未来引出一个重大发现。

 

图1. 用于提取尼安德特人基因组的化石样品及其来源地。图源:Green et al. 2010

 
整整三十年后,进化遗传学家斯万特·帕博(Svante Pääbo)利用飞速发展的分子生物学技术,成功从其中三件化石里提取出了属于尼安德特人的DNA信息,并利用这些信息拼出了尼安德特人基因组草图。由化石得到古人类的全基因组序列,在世界上尚属首次。一幅人类演化的宏伟图景,也由此在我们面前缓缓展开。

通过对比尼安德特人和现代人的基因组,研究者有一个惊人的发现:有约1.3-2.7%来自尼安德特人的祖源基因片段(ancestry),像远古幽灵一般,沉睡在非洲以外的现代人(non-African)的基因组中。研究者认为,现代人基因组中的这些片段,来自古人类的基因渗入(introgression)
 

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基因渗入:对传统物种概念的挑战

 

自小,我们便从生物课本上学到了对于物种的传统定义:同一物种的个体能交配并产生可育后代,不同物种间则不然。那么在这种定义下,演化像是一颗树,而物种形成像是一个主干生长出两个分支,分支之间从此再无交流。

但在真实的自然中,物种之间的生殖隔离并非一蹴而就。事实上,有很多例子证明,即使因为自然隔离而产生了明显的形态分化,不同 “物种” 之间仍可能发生交配,并产生持续可育的后代个体。袖蝶属Heliconius或狒狒属Papio的下属物种,都是这种现象的典型例子。
 

图2. 狒狒属的六个种分布在非洲的不同区域,形态迥异,但在接触区均可发生杂交。图源:Rogers J, et al. 2019

 
因此,物种的形成与其说是一刀两断,不如说是一个流动变化的过程。与其将其比喻成一棵树,物种的演化更像一个复杂的水系网,干流分为支流,而支流彼此分离之后,仍可能借由个体的交配而发生微小的基因流动,使得一个物种的部分基因进入另一个物种的基因库。在遗传学上,这个过程被形象的称为 “基因混合”(admixture)或 “基因渗入”。
 

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祖先继承还是后期渗入?

 

读到这里,读者或许会有一个问题—— 我们无法得知人类演化过程中发生的具体事件,只能看到演化的结果,即基因组中存在相似片段;而古人类与现代人类起源于共同祖先。如何判断这些片段是来自分化后期的基因渗入,还是在共同祖先中已经存在,被后代分别继承呢?

一个简单的方法是分析这些相似片段的长度。在生物繁殖过程中,染色体会在减数分裂中发生同源重组。每一次重组,都可能使外源片段被打散为更小的碎片。重组速率是相对恒定的,因此片段在基因组中存在时间越久,其碎片的平均长度就会趋向于越短。
 

图3. 在基因渗入(左)与基因继承自祖先(右)两种情况中,相似基因片段的长度存在差异图源:Racimo F et al. 2015

 
基因渗入也可以从基因组的层面检测。我们已经知道现代人与尼安德特人的分化在前,现代人中非洲人与非非洲人的分化在后。我们可以把现代人中的这两个类群看作一对内群(ingroup),而将尼安德特人看作与二者亲缘关系更远的外群(outgroup)。假设没有基因渗入发生,这一对内群与外群的遗传距离应该是相等的—— 即这两群现代人与尼安德特人间的遗传差异是差不多的。但如果外群发生基因渗入,就会打破这种平衡,使得外群离某个内群的遗传距离更近。

通过检测,帕博等研究组最终排除了祖源片段来自共同祖先的可能。研究者们推断,在漫长的演化过程中,我们的祖先曾经与尼安德特人在某一个时空交汇。
 

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渗入的基因:毒药还是宝藏?

 

如前所述,渗入的基因来自一个与现代人祖先有一定分化的群体。这些陌生的外来基因对于人类祖先的生存,到底是有利、有害,还是没有影响呢?

通过分析作用在这些基因上的自然选择,研究者发现答案并非唯一。有些基因经历了负纯化选择,暗示它们对个体的生存不利,倾向于被自然选择筛除。这可能是因为尼安德特人的有效种群数较小,积累了更多的遗传负荷。

但也有些来源于古人类的基因成为了智人的宝藏。在现代人祖先到达欧洲之前,尼安德特人便已在欧洲大陆生活了数十万年,他们的免疫系统逐渐适应当地环境。而从基因组分析看,部分现代人的STAT2基因(一个与天然免疫相关的基因),正是来自尼安德特人。他们通过基因渗入,在初来乍到之时 ‘借’ 来了原住民对当地病原体的抵抗能力,从而更好的生活了下去。

无独有偶,西藏地区人群中存在一个高频出现的EPAS1基因,与应对高原缺氧有关,而这个基因被认为来自另一个与现代人同时生活过的古人类类群——丹尼索瓦人。
 
 结  语 

 

没有物种是一座孤岛。当我们的祖先在大陆上四处游荡时,不同的古人类类群曾经与他们相遇,并让基因悄然渗入我们的基因库中,被时间淘洗,最终沉淀为基因组中幽灵般的片段,静静记述着那段历史,等待被后人发现。

 参考文献

[1] Green, Richard E. et al.,.” A draft sequence of the neandertal genome. ”Science,(2010):710-722.
[2] Racimo F, Sankararaman S, Nielsen R et al., “Evidence for archaic adaptive introgression in humans.” Nature Reviews Genetics, 16(6), (2015): 359–371.
[3] Rogers J, Raveendran M, Harris R A et al., ”The comparative genomics and complex population history of Papio baboons.” Science Advances, 5(1), (2019):eaau6947 .
[4] Tung J, Barreiro L B, “The contribution of admixture to primate evolution.” Current Opinion in Genetics and Development, 47,(2017) :61–68.


 制版编辑 皮皮鱼





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