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古人类研究专家付巧妹科普相关技术进展

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发表于 2018-5-20 22:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 ChinaHistory 于 2018-6-30 21:17 编辑

科学大家|我是谁我从哪来?  古DNA将揭开人演化的面纱    2018年05月03日 08:33                                                                                                                                                                                

  出品 | 新浪科技《科学大家》
  撰文 | 付巧妹 中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员

  “我是谁?我从哪来?”,自从人类有了文明,关于人类的演变历来是科学家、哲学家比较关注的科学问题。世界各地的古人类学家都在用自己的方式去寻找答案。在科学高度发达的今天,技术的进步让我们有能力在现实中追本溯源,而古DNA研究,是目前比较有效的的研究方法之一。简言之,就是利用古人类的DNA来了解当时人群的遗传关系,进而可以了解到当时人类发生过什么。近十年来,结合最新的DNA提取、富集、测序方法,科学家才得以揭开早期现代人演化的神秘面纱。

  进化的源头:DNA复制错误



  说起古DNA可能有人不是太熟悉,但提起染色体,相信每个人都不会陌生。染色体是有一个非常重要的双螺旋结构,对我们整个遗传非常重要。通过双螺旋结构中的碱基互补,赋予了DNA神秘的魅力。在碱基互补的过程中,并不是非常精确的,有时候会出现一些复制错误。而就是这些错误,对我们人类演化是非常重要的。举例来说,黑猩猩跟人类是比较相近的,但两者的遗传物质只有1%的差异,也就是说99%的遗传物质,其实是和人类一样的。



人类的23对染色体

  那么我们人与人之间到底有多大的差异?是在刚才说的1%的前提下,减小了10倍,也就是千分之一的差异。在这种情况下,我们人体中到底有多少这样的染色体?我们一共有23对染色体,其中有一对是性染色体,也就是这一对性染色体,决定了我们的性别。当第一个受精卵产生的一瞬间,由父亲和母亲提供的X和Y决定了我们的性别,在这种过程之中,其实他也告诉了我们染色体是由父亲、母亲各一半提供给下一代的。



  其实在我们人体中,除了染色体以外还有别的物质,也是带有遗传特点的。比如线粒体,它跟染色体有些不一样,它主要是通过母系遗传,它的遗传物质相对要少很多。但是它在我们整个细胞中,会比刚刚看到的核多很多。比如在上面的这个细胞示意图里面,就有非常多的线粒体,但线粒体它的遗传物质很少。而其中只有一个细胞核,核里有我们刚看到的23对核染色体。

  古DNA是什么

  那么我们不由回到探索人类演化,我们就很好奇在过去的几万年、几十万年里,其实有很多人类存在。在这种存在过程中,在远古的时候,可能大家对于当时人类的认识,更多地是认为他们需要生存,能够生存下去是首要条件,是不是那个时候人就只有一个非常简单的生活?
古人类创造的艺术品

  其实并不是这样,比如说上图中的艺术品,其实都是几万年前人创造的。比如说这里看到的古笛,他是几万年前在德国(出现的),这里看到的雕像也是几万年前的。所以,在几万年前的人并不只有简简单单的生存需求,他们也有精神上的需求。在这种情况下,我们非常好奇在几万年前是不是存在过很多不一样的人,比如跟我们现代人不一样。



  我们可以看看这两个图片中的骨架,其中一个就跟我们现代人非常相似了,另外一个就非常不一样。这一边(左)其实是跟我们现代人不一样的,这个(右)是跟我们现代人一样的。这边不一样的其实就是尼安德特人的骨架,非常明显的他有这种倒哑铃的形状,而我们现代人并不是这样,他还有很多体质上的不一样。我们是不是可以通过这些人的相关遗传,了解过去发生什么,同时也让我们了解我们是谁,我们从哪里来,通过更多的研究让我们知道呢?是的。这种研究是通过什么?就是古DNA。

  那么古DNA是不是就像这里看到的,我们可以很粗略地把遗传物质从相关的骨骼中获得,就可以直接做相关研究呢?并不是这样。首先,其实古DNA的对象并没有一个局限,我们虽然大多数用的是骨骼,但是即使是在相关的土壤中,我们也能够获得古人类的DNA。像2017年Science上就报道过,利用这种土壤的DNA,获得古人类的DNA。也就是说只要是跟古人类样品有关的,都可以成为我们的研究对象。

  在上世纪九十年代(PCR时代),其实已经开始做了非常多的古DNA(的研究),但是在当时出现了很多的问题。为什么这么讲?比如说这里看到的图片中的琥珀中的DNA、化石中的DNA,甚至有人在恐龙中发现了相关的遗传物质,后来都发现它其实主要来源于污染,它并不是真正属于个体的内源DNA。这让我们看到,古DNA可能跟现代DNA不一样。

  那么到底有什么不一样呢?可以看看这张图片,如果从血液中获得相关DNA的话,有很大程度上都属于个体本身,而且它的片断非常长。但是对于古DNA,即使你的研究对象是这个直接对象的骨骼,里面的DNA也只有少量是属于内源DNA,很多情况下都是微生物的DNA,而且这种情况下它的DNA片断非常短。所以如果我们研究对象是人类的话,这时候如果有少量污染,对于现代DNA影响并不大,但是对古DNA影响非常大。
  所以在这种情况下,我们不光要做很多预防,在后期的评估过程中也会做很多工作。当然在这个过程中,我们即使在实验中做了很多事情,在出土过程中,其实也经历了很多历程,所以它可能(在实验之前)就已经存在了很多污染。不管怎么样,我们在实验过程中,尽量保证不要带来这种污染,比如我们会使用超净室这种绝对的封闭环境,包括不受微生物的影响等等一系列的操作。比如这里看到的防护服,还有细微的操作,保证我们在实验过程中,尽量不要对后期带来更大的影响。同时我们会加很多这种特殊的编码,保证我们每个个体之间是可以分开的。
从骨骼中提取样品

  另外还有一点,大家也意识到,其实我们在获得样品过程中,尽量减少对他体质的影响,可以看到我们在这里,只是对他骨骼中非常小的部分取一个骨粉,所以影响并不大,对他们的其他研究并没有受到我们的影响。

  此外我想给大家说一下,古DNA可以这么讲,虽然在上世纪八十年代就已经兴起,但是在最近十年,可以说是古DNA迅速发展而且非常繁荣的阶段,它的繁荣其实跟它的技术还有大数据挖掘有很大的关系。比如古DNA跟下一代测序仪(二代测序)结合,出现了第一个古人类尼安德特人的基因组草图,同时也出现了未知的古人类,丹尼索沃人。另外高效的单链文库建设,使得我们获得了高质量的古DNA组。这个高质量什么概念?就是跟我们通过现代的某一个个体获得的基因组质量,是可以相媲美的,而且后期很多人用这个做了相关研究。另外一个很重要的,就是我们开发了有效捕获大量的核DNA(的技术),使得之前微生物含量很高的样品,都成为我们研究的可能(对象)。

  另外就是有效地获得短片段,这个字眼可能并不起眼,但是我可以通过一个实例让你知道它的重要性。比如说在2014年前的研究,都认为古DNA是跟生物化学中DNA降解有很大关系的,所以在常规环境下,它的极限时间是十万年,也就是说十万年以内的DNA是可能获得的,十万年以上的DNA是很难获得的。但是通过这样有效富集古DNA(的技术),使得这里看到的非冰冻层里的DNA提取,由原来的十万年,提升到了四十万年,而且这个四十万年就是一个古人类的遗址,让我们获得了很多信息。所以我们可以看到DNA技术的开发对于古DNA的影响,同时由于技术带来大量的数据,使得我们这个领域跟生物信息还有数据挖掘,也有很大的关联。



高效捕捉DNA

  在这里我想取其中的一个技术,也就是有效富集大量核DNA,它对于这个领域是怎么推动的,而且它本身捕获的方式是什么样的情况。首先我们会涉及非常多的跟基因组有关的探针和位点,在这个基础上,我们再把相关骨样中的DNA跟探针进行富集,这个原理和常规的一样,但是我们有很关键的针对探针的扩增(技术),使得我们能够有效地获得古DNA。杂交以后,把它固定在对应的磁珠上,最后洗涤掉溶液中的古DNA,就达到了富集作用。

  我想通过实例让大家知道这个效果,这里看到的实例是距今四万年前的一个个体,他的DNA,比如21号染色体,在这个个体中只占到了0.0003%(在富集以前),但是在富集之后,他的DNA能达到47%,而且富集过程中,我们把它的复杂性也保留下来了。由于这项技术的开发,也使得我们研究的古DNA对象大大扩大。比如近三年的这些研究中的很多研究对象,是来自大洋洲这种炎热的地方,甚至是非洲,甚至是四十万年前的个体,都使得原来不可能获得的相关数据成为可能。在这种情况下,其实我想让大家知道,虽然这个领域在近十年发展得非常迅猛,但是在这个过程中,也是跟我们相关人员的努力(分不开的),相关人员对很多不同的挑战,以及在这个过程中保持的科学好奇心,才使得我们刚刚看到的繁荣成为可能。

  人类演化历史



人类演化

  接下来我要给大家稍微介绍一下人类演化,在这里只是简单地给一些背景。比如说我们都知道,人类的祖先最早出现在非洲,目前争议最大的是现代人的起源,但是对于人类本身的起源是没有任何争议的。而我们的研究框架是在人类整个大的框架下进行的延续。虽然人类在180万年前走出非洲,但是之后有很多不同的类型在我们现在的欧亚大陆上都有发现。比如这里看到的尼安德特人,还有亚洲这边的丹尼索沃人,还有大家都知道的北京人、大荔人、马坝人等等。

  但这里指的两个人,是我们目前有核基因组的相关的个体。我们有相关个体之前,很多人认为相关现代人走出非洲的时候,很有可能是完全取代当时的古人类,而没有任何基因交流的。但是一直到2010年的时候,也就是尼安德特人第一个基因组草图出来的时候,才知道这种绝对取代并非真实的。因为尼安德特人,对于我们现在的现代人,只要不是非洲人,都会有1%到2%甚至4%的尼安德特人的基因组,这是在2010年通过尼安德特基因组草图才知道的。

  另外一个人就是丹尼索沃人,丹尼索沃人并没有像尼安德特人对所有的人群都有影响,他主要是对于大洋洲(有影响),之后我们还会针对这两个人群,给大家做更多的介绍。但在这里,我主要想让大家知道,在过去的几万年里面,其实发生了非常多的故事。在早期现代人跟这些灭绝的古人类或相关古人类共存的阶段里面,到底这些早期现代人是怎么演化成现在的亚洲人还有欧洲人的呢?还有他们在共存的过程中发生过什么?接下来主要针对这两个主线向大家介绍。

  首先是关于它的不同人群,就是现代人群形成的特点。在2016年以前,早于7000年的基因组个体是非常少的,只有零星几个,但是在2016年,由于刚提到的富集的方法,使得我们从几个个体,扩展到了51个个体。这51个个体针对的是基因组,基因组的染色体是父母相互互补,然后对后代影响。这一个个体代表了跟这个个体相关的所有的群体。所以这51个个体,对于我们研究冰河时期(的古人类很有帮助)。大家可能对冰河时期的概念不是很清楚,但是末次冰期大家可能听过,也就是说这51个个体大概是从4万5千年前到距今7千多年,它经历了末次冰期还有末次冰期结束。在这个过程中,我们就非常好奇这些人在这种环境下,会有什么影响?



末次盛冰期

  这张图里看到的整个灰色的区域,就是被冰盖覆盖住了。曾经在两万九千年前后,地球上经历过一个末次冰期里面最寒冷的阶段,也叫做末次盛冰期,大约是从两万六千年到一万九千年前,而且在末次盛冰期的阶段,整个欧亚大陆,尤其是欧洲这边的北欧,都被冰盖覆盖住了。在这种情况下,当时的生存是非常严峻的,对于人类来讲是如此,对动物也是如此。我们都知道其实在末次盛冰期这个阶段,有很多动物灭绝了,比如这里看到的猛犸象,还有披毛犀等等。在这个阶段里,人类何去何从?
 楼主| 发表于 2018-5-20 22:25 | 显示全部楼层
本帖最后由 ChinaHistory 于 2018-5-20 22:37 编辑

接上文

古人类对于现代人群的影响

  首先,我们看到一个非常有意思的现象。就是距今大概四万年前后,有两个不同的个体告诉了我们类似的信息。四万年前的相关群体中,有还没有成为欧洲人或亚洲人的群体,也就是说他既不是欧洲人,也不是亚洲人,但他已经是欧亚大陆的人群了。比如说四万五千年前的Ust’-Ishim个体,他是目前为止有直接测年的最早的早期现代人,(我们)获得了他的基因组,而且通过这个基因组,我们了解到不管是针对欧亚大陆中哪一个人群,他都不是最相关的,但是相对于非洲人来讲,他还是跟欧亚大陆人群最接近。

  在这种情况下,他告诉了我们什么?在这里只是简单地让大家知道它蕴含的含义。在我们这个研究之前,很多人通过现在的基因研究,认为进入到亚洲主要是两次事件,一次事件是从南线进入到大洋洲,这是稍早一次,第二次稍晚是进入到东亚,这是主要的两次迁徙到亚洲的特点。那么我们这个个体,他是在北亚,在这种情况下如果他也符合刚才说的南线的迁徙的话,他应该跟后期的这个人群更近,跟大洋洲这些人群更远,但是我们研究发现并不是这样。所以至少告诉我们早期人类很有可能是辐射进入到亚洲,并不是简单的一个南线。

  另外一块有意思的是,即使四万年前还存在着没有成为欧洲人或者亚洲人的人群,但是在这个时间阶段,同样也存在已经成为欧洲人的人。比如这里的三万七千年前的个体,他对他之后的以及现在的欧洲人,都有很大的影响,他已经有欧洲人的系统的信息了。但是还有一个很重要的信息,这个三万七千年前的个体,他对于三万七千年到一万四千年前整个时间段里的人群,其实是非常相似的,虽然内部有很多不一样,但是外部的人群对他没有太大的影响。

  此外我们还想让大家了解到,在这个时间段里欧洲有一个非常特别的文化,叫做格拉维特文化。大家可能会好奇这个文化有什么特点?这个文化对于寒冷环境是非常非常适应的,比如他会使用猛犸象搭帐篷。不管怎么样,很多考古学家甚至人类学家都认为,因为他适合这种寒冷,所以他在整个欧洲甚至西伯利亚,都有发现相关类型的文化,所以当时认为这个相关人群的迁徙能力非常强,能够把文化传递到这么远的距离。

  但是我们的研究发现一个非常有意思的现象。首先,这些人都是几万年前的人,通过他的这些艺术品,我们可以看到确实两边有非常相似的文化,但是我们通过遗传发现,在欧洲这些文化的人,确实他们之间有很大的遗传相似性,但是在西伯利亚的人群,他并没有跟欧洲的相同文化的人群聚在一起,他们并不是同一个类群的。所以让我们看到了,文化相同的情况下,并不意味着这些人群一定是相同的。

  另外一个有意思的现象是什么?就是三万五千年前比利时的一个个体,这个个体之后就是刚刚说到的格拉维特文化,但我们并没有看到这两个直接相关的人群有直接的联系,反而这个人群突然对他很久之后时间里面的人群有影响,这个人群就是一万九千年到一万四千年前的人群。至少让我们知道,当时的人并没有一个连续的(影响),反而是一个古老人群在某一个时间段里,突然对后期的某个特殊的时间段里的人群有影响。这其实也告诉我们人群的一个反转,在之前的研究是根本不知道的。

  我们也是通过资料发现,如果大家对这个时间有一定敏感性的话,其实这里的一万九和一万四,一个是末次盛冰期结束的时候,一个是末次冰期快要结束的时候,所以这个反转跟环境气候有什么关系呢,我们不知道,但是可以看到它们肯定是有联系的。

  在这种情况下,我们还看到一个有意思的现象。我们把所有的欧洲人从不同时间段进行排序,把这些欧洲人跟我们外界的现代人,比如说亚洲人、非洲人、美洲土著人还有东亚人、包括近东人等等一系列的人群进行比较,我们发现其中有一支人群,也就是近东这些人群,他对于不同时间的欧洲人的影响都不一样。比如说一万四千年前,在此之前欧洲人跟他没有直接联系,但是在此之后的人群,非常显著地跟近东人群有联系。而且一万四千年(这个时间节点)跟末次盛冰期有很大的关联。当然我要强调的是,我们的研究都不是基于气候来看它的时间段,都是基于遗传本身提供的信息告诉我们这个时间,然后在这个基础上,我们了解分段时间可能跟什么相关。所以两边是绝对独立的,在这种情况下让我们看到了可能全球变暖的现象,对于人群结构的影响还有融合是有很大关系的。
典型的欧洲人——金发碧眼

  而且更有意思的是,在一万四千年前后的欧洲人,他眼睛的颜色是完全不一样的。一万四千年之前的欧洲人,他并没有蓝色的眼睛,只有一万四千年之后才出现了蓝色的眼睛。而且在很大情况下,欧洲人的白色皮肤比蓝色眼睛出现的时间还要晚,所以我们现在所谓的典型的欧洲人——金发碧眼,就是蓝色眼睛和白色皮肤,并没有说在一万多年前就有,其实是之后才出现的。

  大家肯定觉得您说了这么多关于欧洲人(的信息),到底东亚是个什么情况?去年十月份,我们获得了第一个东亚人的古基因组,而且这个古基因组经历了一定的历史。这个古基因组是距今四万年前的田园洞人,是在北京发现的。这个四万年前的田园洞人,其实在2013年的时候我们做了一点点线粒体、还有21号染色体的工作,但是当时只是一个数据,而且局限于当时可以考虑的数据,他其实存在一个很重要的需要解决的问题——就是后来发现现在所有的欧洲人,在近农耕时期(也就是在农业来到欧洲以后),相关外来的农耕人群,对于欧洲人群是有一个非常大的换血,换血到什么程度?

  有40%多的欧洲人成分,现在的人跟当时的狩猎采集的人群是完全不一样的,而这个40%是来源于近东里面的古老的欧亚人,而这个古老欧亚人的成分会比欧亚分离之前还要早。所以在这种情况下,我们如果使用现在的欧洲人群研究的话,会使得里面很大的古老的欧亚人群的成分,使得我们把东亚人和田园洞人看起来更近。所以这种情况下,我们需要拿田园洞的基因组信息跟没有受到农耕人群影响的这些欧洲早期的人群进行比对,从而知道我们的田园洞人,到底是东亚人,还是说他还没有成为东亚人,因为田园洞人是四万年前,刚刚也提到了四万年前其实存在非东亚人和非欧洲人的群体。所以在这种情况下,田园洞人虽然生活在北京,但并不意味着他在那个时候已经是东亚人了。


 所以去年我们通过不同的方法获得了类似的信息,图中越红的颜色,就代表田园洞跟这个地点上的人群越相似。这里可以看到整个东亚的红色还有美洲的红色是最显著的,而且它不仅是跟现代欧洲人比较,跟当时古老的欧洲人群比较也是如此。所以在这种情况下,我们首先明确,田园洞人已经是东亚人,但是当我们把他跟全世界不同人群进行比较的时候,比如在欧洲内部跟田园洞人进行比较的过程中,发现比利时的一个人相对别的地区的欧洲人,他会跟田园洞人更近。这种情况下告诉我们什么?告诉我们至少在当时的欧洲和亚洲,并不是一个绝对分开的状态,不是简单的分开,他们是有联系的,但这种联系是基因交流的结果还是古老成分的影响,我们目前还需要做更多的研究。

  另外一个有意思的现象,我们想了解是不是所有东亚人跟田园洞人是一样的距离,有没有可能某一个人群相对别的东亚人群,跟田园洞人要更近一些?或者美洲土著人中某些人跟田园洞人更近呢?我们发现其中美洲土著人中的亚马逊人群,相对于别的美洲人群来讲,他会跟田园洞人更近。其实在之前的研究中,有人发现大洋洲某一些人群,也是跟亚马逊人群相对别的美洲土著人要近,这种情况下田园洞人告诉我们更多的资讯是什么呢?就是说在四万年前,这种特殊的人群就已经存在了,而且它同时反映了当时东亚人的复杂性。因为这里看到,这种影响在我们现在东亚人中,并没有看到,也就是说现代的东亚人并没有对美洲土著人的亚马逊人群有更大的影响。所以反过来也告诉我们当时东亚的遗传结构是非常复杂的。

  所以总体来讲,我们了解到了至少在几万年前,大概在四万年前后,有不同支系的人群存在于非洲,但是这个非洲人既不是东亚人,也不是欧洲人,同时存在了像以田园洞人为代表的东亚人,还存在了三万七千年的以欧洲人为代表的个体,另外还存在一个未知的支系。所以在整体情况下,让我们知道当时整个欧亚大陆人群是非常复杂的,而且这个过程中不同人群的反转还有他的联系,也让我们知道当时的人群是非常复杂的。所以我们之后还会做更多的研究,来了解当时的人群,甚至之后的人群对我们现在人群的影响。

  那么第二个问题,在这种共存的时间里,我们有没有可能找到像我们这里看到的这一幕,有没有可能看到直接的对话?这里看到的是尼安德特人的模型,这边是一个小女孩,有可能,但是我先不说可能性。我们先了解下到底灭绝的古人类有什么特点?每一种古人类我们举一个例子,比如丹尼索沃人和阿尔泰尼安德特人都是在丹尼索沃洞穴发现的。其中丹尼索沃人,我们最后获得了30X的基因组,30X的基因组的质量其实是可以跟使用现在人的DNA获得的基因组相媲美的,而这些DNA是从哪里获得的呢?就是从这里小手指上的一丁点中的10毫克获得的。

  那么我们得到什么资讯呢?非常简单地告诉大家,首先丹尼索沃人相对于现代人来讲,跟尼安德特人更近,他们分离的时间大概在四十三万年前。而尼安德特和丹尼索沃人整体跟现代人分离时间大概在60万年到80万年之间。而丹尼索沃人,刚刚也提到了他对于大洋洲人群有影响,但事实上除了大洋洲以外,他还对东亚人有一定的影响。也就是说在东亚人中,也有少量的丹尼索沃人,而且最近Cell上发了一篇文章,关于了解丹尼索沃人在整个亚洲,他发生事件的可能有几次,研究发现可能存在两种。一种是针对大洋洲的,一种是针对东亚的,而且针对东亚这个丹尼索沃人的支系,会比针对大洋洲的丹尼索沃人的支系更古老。

  在这种情况下,尼安德特人是什么样子的呢?我们可以看到,他对除了非洲以外的所有别的区域的人群,都有影响。而且也因为这个,很多人猜测他发生的地点很有可能是在中东这个区域,也就是说在欧亚人群没有分化之前,才能使得相关人群能扩展到这么大的区域。

  这个在阿尔泰发现的尼安德特人,我们只是选了这么点骨粉,获得的基因组中发现它有非常强的纯合性。比如说这个染色体,有将近一半是纯合的,也就是说他父亲和母亲提供的遗传信息是一模一样的。这意味着什么?如果我们通过数据模拟,可以分析出来他是近亲产生的后代,他很有可能是堂兄妹这种关系产生的,还有可能是祖孙之间产生的,另外一种可能是兄妹产生的,还有可能是叔侄产生的,所以他的近亲繁殖非常厉害。但这只是这个个体本身,并不意味着尼安德特人所有人群都是这样。


  总结一下刚刚我们听到的信息,尼安德特人的混合主要是针对整个欧亚大陆的人群,有1%到2%,但是我在这里要提到,其实尼安德特人里,东亚人的尼安德特人成分会比欧洲人高一些,而且在东亚人中,比如说II型糖尿病,其实高发性相对比较高,也跟尼安德特人有一定的关系。此外就是丹尼索沃人,他主要影响的是这个区域,但是这个区域你可以看到他整个遗传本身的特点是非常相似的,但它是以这里为界,这之上的人群是没有丹尼索沃成分的,这之下的人群是有丹尼索沃成分的。所以虽然这里所有的人群他们的遗传本身是相似的,但是他们丹尼索沃的混合是不一样的。而且还有一个很有意思的现象,东亚人中的0.1%到0.2%,其中尤其是针对于西藏人的影响。主要体现在哪里呢?体现在EPAS1这个基因,最近发现在与西藏人的高原适应性相关的EPAS1基因中,将近80%的西藏人都有跟丹尼索沃人相似的特点,这种适应性跟丹尼索沃的成分有很大的联系。

  古人类对于当时早期现代人的影响

  刚刚说到的都是古人类对于现在人群的影响,那么古人类对于当时早期现代人的影响是什么样子?我们了解一下从四万五千年到最近这段时间,你可以看一下不同的时间里尼安德特人成分的变化,它是不断下降的。而且最重要的是,在三万七千年到一万四千年前的这个阶段,他并没有受到外来人群的影响,所以这个阶段,他并不能用外来人群对它的稀释来解释,所以很有可能跟它的选择性有很大的关系。

而且我们还可以利用尼安德特人跟早期现代人的基因交流,来计算当时发生事件的时间。为什么可以计算这个时间?主要原因就在于,比如说第一代的时候,其实有一半的染色体是来源于尼安德特人,一半是来源于现代人。那么在产生第二代的过程中,最早那一代的尼安德特人的成分是在不断被打断的。所以我们可以利用这种不断被打断的信息,返算当时发生的时间。

测定与尼安德特人发生基因交流的时间


  那么也是利用这个特点,我们通过四万五千年前的个体,可以看到这个个体中,他就有相对于别的现代个体中的要长很多的区域,然后通过数据模拟还有计算方法等等,我们计算出大概尼安德特人跟现代人发生基因交流的时间,是距今五到六万年前。而且另外一个研究也是通过另外一个个体,也算出同样的时间,大概五到六万年前。而且基于这个研究,在2014年的时候,被《自然》评为十大科学事件之一。
早期现代人中尼安德特人的基因含量在不断下降

  大家可能还注意到了,在尼安德特人的基因降低的过程中,大多数都在这条线上,但是有一个特例,就是这里的Oase1个体。他的尼安德特人成分非常高,远远超过了任何个体。但这个个体不是最古老的,他距今四万年前,最古老的四万五千年前的个体都没有他的高。通过研究,我们首先知道,这个个体是在罗马尼亚发现的,而且距今大概四万年前。我们当时取了非常少的骨粉,获得了相关的基因组。而且这个基因组告诉我们非常有意思的现象,他有将近一半的染色体是跟尼安德特人有关系的。

  结合我刚刚说的重组分布打断的特点,其实大家很快就能算出来,他很有可能是很近发生的,当然这里是一个染色体。当我们看到整个22对常染色体的时候,我们就发现不光是这一个,还有别的地区都有这样的特点。所以利用他这个片断的分布,还有数据模拟,还有一些别的方法,我们算出来对于这个个体来讲,四到六代之前有一个尼安德特人是他的直接祖先。



家谱树

  那么如果我们把他放在家谱树上,算他的含量,他大概是在三到五代之间,如果利用尼安德特人的片断计算,大概是四到六代之间,也就是说这个个体中的曾曾曾祖父母中,有一个尼安德特人。

  这除了告诉我们它本身的含义,还告诉我们一个信号,整个现在的人群,他获得尼安德特人(基因)很有可能是在近东这个区域,而且是一次事件,而且距今大概五到六万年前。那么这个个体他是在罗马尼亚欧洲,而且距今大概四万年前,不到两百代之内就发生了。那么这至少告诉我们,尼安德特人跟现代人的基因交流不是一次事件,很有可能是多次,而且发生的地点也不局限于近东,也有可能在别的区域也有。大家获得的信息只是其中的一部分,我们希望做更多的工作,来了解我们是谁,我们从哪里来。我们也希望我们能够坚持下去,永不放弃!

  注:根据付巧妹研究员2018年4月21日在墨子沙龙的报告改编,图片来源于付巧妹研究员PPT。

评分

1

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发表于 2018-5-21 11:08 | 显示全部楼层
很有意思,大美同志的看法原来是这样的:
发表于 2018-5-23 22:39 | 显示全部楼层
[quote]接上文

古人类对于现代人群的影响

  首先,我们看到一个非常有意思的现象。就是距今大概四万年前后,有两个不同的个体告诉了我们类似的信息。四万年前的相关群体中,有还没有成为欧洲人或亚洲人的群体,.. ...有40%多的欧洲人成分,现在的人跟当时的狩猎采集的人群是完全不一样的,而这个40%是来源于近东里面的古老的欧亚人,而这个古老欧亚人的成分会比欧亚分离之前还要早。
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这个40%的表述是不准确的。事实上,旧石器时期的欧洲人的内部差异也是较大的。
发表于 2018-5-23 22:41 | 显示全部楼层
[quote]接上文

古人类对于现代人群的影响
.. ...所以在这种情况下,我们如果使用现在的欧洲人群研究的话,会使得里面很大的古老的欧亚人群的成分,使得我们把东亚人和田园洞人看起来更近。所以这种情况下,我们需要拿田园洞的基因组信息跟没有受到农耕人群影响的这些欧洲早期的人群进行比对,从而知道我们的田园洞人,到底是东亚人,还是说他还没有成为东亚人,因为田园洞人是四万年前,刚刚也提到了四万年前其实存在非东亚人和非欧洲人的群体。所以在这种情况下,田园洞人虽然生活在北京,但并不意味着他在那个时候已经是东亚人了。


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只能说,田园洞古人是他那个时代的‘东亚人’,与现代东亚人是两回事。
发表于 2018-5-23 23:11 | 显示全部楼层
[quote]从而知道我们的田园洞人,到底是东亚人,还是说他还没有成为东亚人,因为田园洞人是四万年前,刚刚也提到了四万年前其实存在非东亚人和非欧洲人的群体。所以在这种情况下,田园洞人虽然生活在北京,但并不意味着他在那个时候已经是东亚人了。


 所以去年我们通过不同的方法获得了类似的信息,图中越红的颜色,就代表田园洞跟这个地点上的人群越相似。这里可以看到整个东亚的红色还有美洲的红色是最显著的,而且它不仅是跟现代欧洲人比较,跟当时古老的欧洲人群比较也是如此。所以在这种情况下,我们首先明确,田园洞人已经是东亚人,但是当我们把他跟全世界不同人群进行比较的时候,比如在欧洲内部跟田园洞人进行比较的过程中,发现比利时的一个人相对别的地区的欧洲人,他会跟田园洞人更近。这种情况下告诉我们什么?告诉我们至少在当时的欧洲和亚洲,并不是一个绝对分开的状态,不是简单的分开,他们是有联系的,但这种联系是基因交流的结果还是古老成分的影响,我们目前还需要做更多的研究。

  另外一个有意思的现象,我们想了解是不是所有东亚人跟田园洞人是一样的距离,有没有可能某一个人群相对别的东亚人群,跟田园洞人要更近一些?或者美洲土著人中某些人跟田园洞人更近呢?我们发现其中美洲土著人中的亚马逊人群,相对于别的美洲人群来讲,他会跟田园洞人更近。其实在之前的研究中,有人发现大洋洲某一些人群,也是跟亚马逊人群相对别的美洲土著人要近,这种情况下田园洞人告诉我们更多的资讯是什么呢?就是说在四万年前,这种特殊的人群就已经存在了,而且它同时反映了当时东亚人的复杂性。因为这里看到,这种影响在我们现在东亚人中,并没有看到,也就是说现代的东亚人并没有对美洲土著人的亚马逊人群有更大的影响。所以反过来也告诉我们当时东亚的遗传结构是非常复杂的。

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这里付大美的表述令人困惑,难道美洲人也是她的理论体系中的‘东亚人’?
 楼主| 发表于 2018-6-30 21:16 | 显示全部楼层
https://zhuanlan.zhihu.com/p/31097280

染色体的故事之——Y染色体DNA   编辑于 2017-12-20

一、Y染色体的演化

人类有23对染色体,其中22对是常染色体,1对是性染色体。男性的性染色体是XY,女性是XX。那么Y染色体是从什么时候产生的,是怎么来的呢。这一章我们主要讲讲这个问题。

Y染色体并不是一开始就存在的,它也是基因突变的产物。大约在3亿年以前,性染色体X和Y的原始祖先还是和其他常染色体一样,大小对等、形状一致,在遗传过程中也会正常地进行着充分地DNA的复制、染色体的联会和同源基因的重组互换。



当时生物的性别并不是由性染色体决定,而是通常由外部环境(如温度、湿度)决定。例如爬行类动物中的鳄鱼、蛇、龟等,它们的蛋在阳光充足的沙滩上孵化的话,就会发育成雄性;而在阴凉的背阴环境下发育的话则会成雌性。

但是一次偶然的突变事件使得这种情况发生了变化,两条原始性染色体祖先中的一条,在一个叫SOX3的基因上发生了突变,变成了名为SRY的基因。SRY的基因可能促使进化中的性腺形成睾丸,而正是这个SRY基因,决定了雄性性别的关键。

SOX3的基因突变成为SRY基因后,又有过一次染色体倒转的事件发生,使本是同根生的SOX3基因(在X染色体的底部)与SRY基因(在Y染色体的顶部)一上一下,如同牛郎织女一般,星汉两隔,不能聚首。

染色体倒转是染色体内部区段发生重组的一种较常见方式,这种方式会导致染色体上基因位置发生重新排列。而在Y染色体上发生倒转,又不像X染色体一样还可以在雌性的细胞中得到孪生姐妹的修复帮助,所以这些倒转了的区段还常常会被Y染色体给删除掉,在没有备份可以弥补修复的情况下, Y染色体删除掉了越来越多的基因,从最初携带的2000多个基因,到现在剩下不足100个,所以变得越来越小,只有X染色体的三分之一大小。

自从出现了Y染色体后,这条特立独行的染色体就常常发生各种各样的基因倒转和删除事件,使得Y染色体上的基因越来越与众不同。在人类中的女性中,两条基因分布均一的X染色体在所有的部位仍然沿着古老的法则,进行着充分的基因重组和互换;而男性中则缺少了这种基因重组互换的机制。

我们知道基因重组的过程,除了使染色体重新排序、交换DNA,它也是修复突变的一个重要方法。而有一部分突变可能会带来不利的影响,DNA正是通过基因重组来修复这些可能有害的突变。而Y染色体却失去基因重组的步骤,这是不是变得异常的危险了呢?

实际的答案是否定的。Y染色体自己有一套解决机制。



首先,Y染色体的两端5%大小的部分,还保留着与X染色体进行重组互换的能力,这样可以帮助X和Y在减数分裂期间正确地排队,不会造成混乱。另外,在这里还保留了大概5个左右的基因,这些基因不决定性别,但是具有维护细胞的基本生命活动的重要功能。

其次,Y染色体剩下的95%的部分(命名为男性特异区MSY),除了偶然的突变外,绝大部分是严格按照祖传父、父传子的方式,代代相传。这部分区域并不能生成有用的蛋白质,大部分都是反复重复相同的代码序列和大量的回文结构。所谓的回文结构,就像古人做的回文诗一样,回文的两句从首端向尾端读和从尾短向首端读都是一样的结构,类似于:“人过大佛寺”和“寺佛大过人”这两句,就构成了一对回文结构,也可以说是互成镜像。这种结构,曾经使得研究和测序Y染色体变的异常困难。但正是这种回文结构,才使得Y染色体虽然没有孪生同伴进行重组交换的情况下,依然会屹立不倒。

原来,在这些回文结构中,Y染色体可以从中间进行对折,让自身对等的回文部位配对并发生重组互换。在这过程中,如果发现其中某个基因突变了,他就可以从它对面的回文备份中获得模版,从而进行修复。

就这样,在最初并没有差异的一对原始性染色体,经过了3亿多年的演化以后,Y染色体因为不断的倒转和删除、保留和获得,使得它的结构发生了巨大的变化,体现在功能上也变得更加专一,剔除了其他无关的冗余基因,单独保留了专业打造成为了启动雄性发育的扳机。

Y染色体上决定男性性别和精子生成最重要的两个基因分别是:SRY基因(睾丸决定因子)和Eif2s3y(精原细胞增殖因子)。其中SRY会启动一连串的分子事件,最终使得具有XY染色体的胚胎发育为雄性。Eif2s3y则会主导精子的生成。

上面我们提到的Y染色体主干部位上占95%的男性特异区(MSY),由于严格遵循这父子相传的规律,即使产生新的突变也会如实地被他的支系子孙严格地继承,这就如同上帝在我们黑暗的人类进程中,给我们打开了一扇了解我们人类父系祖先的天窗,这也使得Y染色体在谱系遗传学研究中拥有着特殊的意义。这个我们将在后面的章节进行讲解。

参考文献:

1. Hughes J F,1 Rozen S . Genomics and Genetics of Human and Primate Y Chromosomes. Annu Rev Genomics Hum Genet,2012,13:83-108

2. Jobling, M. A. & Tyler-Smith, C. Human Y-chromosome variation in the genome-sequencing era. Nat Rev Genet 18, 485–497 (2017).

3. Poznik, G. D. et al. Sequencing Y chromosomes resolves discrepancy in time to common ancestor of males versus females. Science 341, 562–565 (2013).

4. Bachtrog, D. Y-Chromosome evolution: emerging insights into processes of Y-chromosome degeneration. Nat. Rev. Genet. 14, 113–124 (2013).

二、 Y染色体的结构

人类的Y染色体约57~59Mbp长,结构上分为短臂、长臂和着丝粒三部分,又可以进一步细分为拟常染色体区、常染色质区和异染色质区等部分「1」。其中拟常染色体区(PAR)分布位于Y染色体的两端,短臂末端的称为PAR1,长约2.5Mb;长臂末端的称为PAR2,长约1Mb。二者总长约占Y染色体的5%。这个区域会在减数分裂的过程发生X-Y的交换重组。剩余的95%的区域,最早命名为非重组区(NRY),后来由于发现该区域内部存在基因转换频繁和内部重组,又被Skaletsky「2」等重新命名为男性特异性区域(MSY)。



男性特异性区域(MSY)中,异染色质区域约占总长度的一半左右,具体长度是可变的,并且不进行转录,具有高度的重复序列,目前还未对之进行测序。

剩下的常染色质区域序列由:X退化区(XDG)、X置换区(XTR)和扩增区(Ampliconic)三部分组成。

X-退化区约8.6Mb,是现代 X 染色体和 Y 染色体进化过程中残留的古代染色体成分,其中保留了性别决定因子。

X-置换区约3.4Mb ,其中99%的序列与 X 染色体相同。

扩增区约10.2Mb,表现为染色体内高度相似的重复序列,序列之间难以进行区分。而且扩增区还存在八个大的回文结构。

这三个部分中,排除掉染色体内和染色体间高度重复的部分,剩下大概只有10 Mb的序列是可以被用来测序的,这个区域内发生的突变也是明确可以被用来使用的「3」。这个部分也就是我们做Y染色体测序的时候重点覆盖的区域。我们也就不难理解,为什么Y染色体有59Mb的长度,但是称为Y染色体全测序的产品基本都只测其中10Mb左右的区间的原因了。

1. Hughes J F,1 Rozen S . Genomics and Genetics of Human and Primate Y
Chromosomes. Annu Rev Genomics Hum Genet,2012,13:83-108

2. Jobling, M. A. & Tyler-Smith, C. Human Y-chromosome variation in the
genome-sequencing era. Nat Rev Genet 18, 485–497 (2017).

3. Skaletsky H, Kuroda-Kawaguchi T, Minx PJ,et al.The male-specific region of
the human Y chromosome is a mosaic of discrete sequence classes[J].Nature. 2003
Jun 19;423(6942):825-37.
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