破譯尼安德特人的基因，憑什么能獲諾貝爾獎(jiǎng)

2022年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，因古人類研究而授予斯萬特·帕博。很多人詫異，破譯尼安德特人的基因，為什么會成為諾獎(jiǎng)級別的突破？

復(fù)旦大學(xué)校長金力院士與帕博有過一些交往，他在接受澎湃新聞?dòng)浾卟稍L時(shí)說：“我認(rèn)識很多頂尖科學(xué)家，像帕博這樣執(zhí)著的人，還真是不多見。每個(gè)人執(zhí)著的程度不一樣，多數(shù)人做事情的時(shí)候，碰到問題總免不了知難而退，但像帕博這樣低著頭，一直低著頭，用一生去努力的，我覺得真的很難得?！?/p>

歷年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，要么頒給與人體生理相關(guān)的重大發(fā)現(xiàn)、醫(yī)學(xué)技術(shù)的重大突破，要么頒給能給未來科研/醫(yī)學(xué)帶來深遠(yuǎn)影響的工具突破。而2022年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，卻授予了瑞典生物學(xué)家斯萬特·帕博，頒發(fā)理由是“發(fā)現(xiàn)已滅絕人種的基因組和人類進(jìn)化”。

人類基因組測序都沒得諾獎(jiǎng)，反而讓研究尼安德特人基因的得了？

絕大多數(shù)人看到2022年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的成果會有點(diǎn)蒙，如果解釋說，他測序了尼安德特人的基因，很多人就會恍然大悟：“原來是這個(gè)??！”“這研究真的是諾獎(jiǎng)級別的嗎？”“人類基因組測序都沒有得諾獎(jiǎng)，反而讓研究尼安德特人基因的得了？”

那么，首先就來說說，與人類基因組測序相關(guān)的研究，真的沒有得過諾獎(jiǎng)嗎？非也。

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)（ PCR 技術(shù)），一種用于放大擴(kuò)增特定的DNA片段的分子生物學(xué)技術(shù)，它可看作是生物體外的特殊DNA復(fù)制。PCR的最大特點(diǎn)是能將微量的DNA大幅增加。因此，無論是化石中的古生物、歷史人物的殘骸，還是幾十年前兇殺案中兇手遺留的毛發(fā)、皮膚或血液，只要能分離出一丁點(diǎn)兒的DNA，就能用PCR加以放大，進(jìn)行比對。這也是“微量證據(jù)”的威力所在。

PCR技術(shù)在臨床上用于治療感染性疾病、腫瘤及遺傳病， 擴(kuò)增的模板可以是DNA， 也可以是R N A。在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)學(xué)中最有價(jià)值的應(yīng)用領(lǐng)域就是對感染性疾病的診斷。理論上，只要樣本有1 個(gè)病原體存在，PCR就可以檢測到， 一般實(shí)驗(yàn)室也能檢出10～100個(gè)基因拷貝，而目前病原體抗原檢測的方法一般需要105～107個(gè)病原體才可以檢測到。PCR檢測解決了免疫學(xué)檢測的“窗口期”問題，可判斷疾病是否處于隱性或亞臨床狀態(tài)。新冠病毒的核酸檢測，使用的檢測方法就是RT-PCR檢測法，通過PCR擴(kuò)增技術(shù)使標(biāo)本中微量DNA、RNA物質(zhì)達(dá)到可被檢測的量。

1980年，美國生物化學(xué)家保羅·伯格因研究操縱基因重組DNA分子，與創(chuàng)立DNA結(jié)構(gòu)的化學(xué)和生物分析法（即鏈終止法、雙脫氧法）的美國分子生物學(xué)家沃爾特·吉爾伯特、英國生物化學(xué)家弗雷德里克·桑格共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（這是桑格第二次獲得該獎(jiǎng)）。1993年，美國生物化學(xué)家凱利·穆利斯因發(fā)明“聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”（Polymerase Chain Reaction，簡寫為PCR）技術(shù)在遺傳領(lǐng)域研究中取得突破性成就，與開創(chuàng)“寡聚核苷酸基定點(diǎn)誘變”技術(shù)的加拿大籍英裔科學(xué)家邁克爾· 史密斯共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，甚至PCR 技術(shù)的最初設(shè)想（核酸體外擴(kuò)增）也是由諾貝爾獎(jiǎng)得主、印度裔美國分子生物學(xué)家哈爾·葛賓·科拉納（破解了遺傳物質(zhì)）最初提出的。作為DNA 測序和PCR擴(kuò)增技術(shù)的開拓者，古遺傳學(xué)先驅(qū)阿蘭·查爾斯·威爾遜曾在1991年獲得諾獎(jiǎng)提名，卻遺憾去世。雖然以上是諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，但都是對生命科學(xué)有著重大影響的技術(shù)工作。

人類基因組計(jì)劃是一個(gè)偉大而浩瀚的計(jì)劃，一方面有賴于前人開發(fā)的成熟的測序技術(shù)；另一方面，參與人類基因組計(jì)劃的各個(gè)國家都有重要工作，世界上眾多研究者都參與其中，而諾獎(jiǎng)一次最多只授予3位科學(xué)家，這就很難從中選出一兩位來代表集體的成果。但是，與人類基因組測序相關(guān)的成熟技術(shù)，大多數(shù)已經(jīng)獲得過諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)了。

與其說諾獎(jiǎng)?lì)C給了古人類學(xué)，不如說是頒給了基因組學(xué)

這一次的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，與其說是頒發(fā)給了古人類學(xué)，不如說是頒發(fā)給了基因組學(xué)。當(dāng)然，斯萬特·帕博研究的領(lǐng)域——古遺傳學(xué)，是這兩個(gè)學(xué)科的交叉學(xué)科。

我們不難發(fā)現(xiàn)，如果人類基因組計(jì)劃是從“二維平面”的角度來研究DNA，它能告訴我們DNA 是什么樣的，什么樣的疾病是由什么樣的基因決定的，但它并不能從時(shí)間（進(jìn)化）的角度，確定人類的DNA 及其與相關(guān)疾病的動(dòng)態(tài)關(guān)系。但如果研究古基因，就加上了一個(gè)時(shí)間的維度，可以把DNA研究變成“三維”的，這樣我們就能弄清楚DNA 的發(fā)現(xiàn)脈絡(luò)，以及與其相關(guān)疾病的發(fā)展淵源。

最早開始做相關(guān)工作的古遺傳學(xué)先驅(qū)，正是因?yàn)槿ナ蓝鴽]能獲得諾獎(jiǎng)的阿蘭·查爾斯·威爾遜。作為分子生物學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家，威爾遜率先把DNA 測序和PCR 擴(kuò)增技術(shù)用在了生物進(jìn)化上（主要對比類人猿和人類的基因），對重建生物系統(tǒng)發(fā)育做了開拓性的工作。順便吐槽一句，很多反對進(jìn)化論的人，總是聲稱沒有現(xiàn)代科學(xué)能支持進(jìn)化論，但實(shí)際上，整個(gè)遺傳學(xué)、分子生物學(xué)都對進(jìn)化論形成了支撐，甚至整個(gè)系統(tǒng)分類學(xué)就是完全建立在這種支撐基礎(chǔ)上的。

不過，威爾遜的工作主要還是依賴測序研究當(dāng)今物種和人類的關(guān)系，并沒有從時(shí)間線上去“觀察”人類的進(jìn)化，而是相當(dāng)于通過投影（對比其他物種身上與人類相同的基因），去反推生物進(jìn)化的時(shí)間線。威爾遜也由此提出了“分子進(jìn)化鐘”的概念。雖然分子鐘讓人類對進(jìn)化分支的時(shí)間點(diǎn)判斷有了劃時(shí)代的進(jìn)步，但是從今天的角度來說，分子鐘其實(shí)是存在不小誤差的。例如，實(shí)際測得的古類人猿和人類的基因差距，是小于分子鐘的估算結(jié)果的。當(dāng)然，在威爾遜提出“分子鐘”的年代，人們也很難直接分析古生物的基因。

古遺傳學(xué)的奠基工作，還缺少一塊無比重要的基石——直接獲取并分析古生物的遺傳信息（古基因組學(xué)）。而斯萬特·帕博正好是這塊重要基石的奠基人。帕博的父親蘇恩·伯格斯特龍因?qū)η傲邢偎氐难芯?，?982年獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，父子獲獎(jiǎng)的時(shí)間跨度正好是40年。帕博的母親凱琳·佩博同樣是一位化學(xué)家。跟隨母親生活的帕博，雖然從小受到科學(xué)熏陶，立志要當(dāng)科學(xué)家，但他最癡迷的既不是生物也不是化學(xué)，反而是古埃及學(xué)。但誰也無法想到，正是因?yàn)閷虐＜皩W(xué)的癡迷，讓他在未來打開了古基因組學(xué)的大門。

最初就是很好奇：建造金字塔的那些人后來去哪兒了？

雖然帕博在博士期間的功課是研究“腺病毒的E1 9蛋白如何調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)”，但分子生物學(xué)領(lǐng)域的他，卻偷偷研究起了古埃及的木乃伊。為了研究木乃伊，帕博每到假期就跑到博德博物館，在長期的研究中，甚至還學(xué)會了德語。

剛開始，帕博的研究目的也并非要開創(chuàng)一個(gè)學(xué)科。他的想法很單純，就是很好奇：當(dāng)初建造金字塔的那些人到哪里去了？現(xiàn)在的埃及人是不是古埃及人和法老的后代？

要回答這個(gè)問題，最直接的方式就是分析法老們的DNA，然后和現(xiàn)代人的進(jìn)行對比。然而，當(dāng)時(shí)并沒有人能成功從古生物中提取DNA，或者說提取工作受到極大客觀因素的影響。古遺傳學(xué)先驅(qū)威爾遜等人的很多研究工作，正是因此而受到了限制。

1984年，威爾遜實(shí)驗(yàn)室的一名研究生從滅絕100多年的斑驢皮膚中提取出了DNA，通過對線粒體基因的研究，發(fā)現(xiàn)斑驢是斑馬的近親，和野驢的關(guān)系反而比較遠(yuǎn)。這個(gè)開創(chuàng)性的研究登上了當(dāng)年的《自然》雜志。但這其實(shí)同樣是采取“傳統(tǒng)”方法，分析年代較近的滅絕動(dòng)物，對年代過于久遠(yuǎn)的動(dòng)物依舊無能為力。

其實(shí)，在威爾遜團(tuán)隊(duì)發(fā)表這篇論文之前，帕博就已經(jīng)做出了自己未來事業(yè)的奠基性成果——通過化學(xué)方法提取到了木乃伊的DN A 片段。他用德語發(fā)表了相關(guān)論文，但未引起關(guān)注。幸運(yùn)的是，1984年11 月，帕博正好看到了威爾遜團(tuán)隊(duì)發(fā)表的關(guān)于斑驢的論文。激動(dòng)的他產(chǎn)生了一個(gè)破天荒的想法，把自己的論文改寫成英文，投給《自然》雜志。結(jié)果，他的論文不僅通過了，還受到了威爾遜的密切關(guān)注。當(dāng)時(shí)，威爾遜已經(jīng)是著名生物學(xué)家，在伯克利（即美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校）有著自己的實(shí)驗(yàn)室。他本以為帕博是一位教授，所以寫信邀請他到自己的實(shí)驗(yàn)室來工作，當(dāng)發(fā)現(xiàn)帕博僅僅是一位在讀博士生時(shí)，便邀請他到自己的實(shí)驗(yàn)室做博士后。

1986年，帕博取得博士學(xué)位后，第一時(shí)間便去美國參加了一項(xiàng)重要的學(xué)術(shù)研討會，在這里，他不僅見到了自己的博士后導(dǎo)師威爾遜，也見到了諾獎(jiǎng)得主、PCR技術(shù)的發(fā)明者穆利斯。這次會議的核心就是討論DNA 測序技術(shù)，帕博受益良多。博士后期間，他逐漸完善了從頭骨中提取DNA 的技術(shù)。

隨著深入研究，帕博意識到，自己的工作其實(shí)充滿巨大的挑戰(zhàn)。因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，DNA 會發(fā)生化學(xué)修飾，降解成短片段，僅僅幾千年的時(shí)間，便只剩下微量的DNA；此外，古生物腐敗的過程中，還會滋生大量細(xì)菌，它們的基因會污染古生物的基因；研究者進(jìn)行采樣、提取等一系列工作的過程中，自身的DNA 也可能成為重要的污染源。

為了解決這些問題，在威爾遜研究室期間，帕博做了大量古生物的測序工作。他獨(dú)立以及與威爾遜等共同發(fā)表的一些和測序相關(guān)的重要論文，促使古DNA 測序逐漸有了可能。

1990年，隨著小說《侏羅紀(jì)公園》的出版，全球范圍內(nèi)掀起了古遺傳學(xué)研究的熱潮。當(dāng)時(shí)有不少研究者發(fā)表了有關(guān)恐龍基因提取的論文，但后來發(fā)現(xiàn)，這些論文中所謂的恐龍基因，都是被細(xì)菌或者人類基因污染過的。也正是在1990年，帕博回到德國，成為慕尼黑大學(xué)的教授，專門從事古NDA的研究工作。

相比正常人的DNA序列尼安德特人的基因像被撕碎的紙片

在慕尼黑大學(xué)，帕博一開始就選擇了一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的工作：測序尼安德特人的基因。

DNA經(jīng)歷早期的快速降解后，遺留的DNA碎片還會以521年左右的半衰期不斷衰變。超過100萬年的DNA，將很難提取出有用的信息，這也是為什么哪怕以今天的技術(shù)，人們也很難分析恐龍的DNA。帕博的研究工作，難度空前。

一直到1996年，帕博團(tuán)隊(duì)才通過比較精細(xì)的方法，提取到了40萬年前的尼安德特人線粒體基因中的379個(gè)核苷酸。最終發(fā)現(xiàn)，這個(gè)曾被認(rèn)為是歐洲人祖先的人種，竟然和現(xiàn)代人的線粒體基因譜系完全不同。這個(gè)研究結(jié)果在當(dāng)時(shí)引起了巨大的轟動(dòng)，也給帕博帶來了很大的聲望。論文發(fā)表后不久（1997 年），帕博進(jìn)入德國著名的馬克斯·普朗克多學(xué)科科學(xué)研究所（簡稱馬普所），建立了進(jìn)化人類學(xué)研究所，并擔(dān)任所長。

隨著人類全基因組測序的興起，帕博開始了對尼安德特人全基因組的測序工作。

從慕尼黑大學(xué)到馬普所的幾年時(shí)間，帕博帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，逐漸建立起以PC R 檢測為基礎(chǔ)，探索不同的提取、拼接、恢復(fù)、修復(fù)DNA的技術(shù)，最終建立起了一套能篩選污染基因，并最終破譯古DN A 碎片的關(guān)鍵技術(shù)和流程，成為古基因組學(xué)研究的標(biāo)準(zhǔn)范式。

為了盡可能避免DNA被污染，在馬普所，帕博幾乎建立了世界上最干凈的生物實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室分成內(nèi)、外房間，內(nèi)部房間被厚厚的玻璃門隔開，配備超強(qiáng)的空氣過濾裝置，可過濾小至0.2微米直徑的顆粒，過濾度可達(dá)99.995%。正是因?yàn)闄z測技術(shù)的突破、標(biāo)準(zhǔn)流程的建立和實(shí)驗(yàn)室要求的嚴(yán)苛，才讓帕博團(tuán)隊(duì)破譯尼安德特人的全部基因有了可能。

相比正常人的完整DNA序列，尼安德特人的基因完全就像被撕碎的紙片。如果把人類的全組DN A 比作書，按照一頁3000個(gè)字母計(jì)算，正常人的完整DNA序列如同一部200萬頁的巨著。尼安德特人的基因組，則相當(dāng)于把1000本這樣的巨著，撕碎成只有50個(gè)字母大小的碎片，然后與30多倍的廢紙碎片混合。帕博團(tuán)隊(duì)的工作則需要從中找出這些有字的碎片，然后拼起來。

雖然人類基因組的確定（2001年）讓這項(xiàng)可怕的工作變成了可能，但這依舊是一個(gè)工作量超乎想象的無底洞。哪怕在其他實(shí)驗(yàn)室的幫助下，也要利用十幾個(gè)大容量的硬盤，才最終得以處理所有數(shù)據(jù)。為了避免出現(xiàn)偏差，帕博團(tuán)隊(duì)還同時(shí)采用了黑猩猩的DNA，才最終真正測出了尼安德特人的完整DN A 序列。

2009年，測出草圖。2010年，發(fā)表相關(guān)論文，僅論文附件就達(dá)到174頁。2014年，尼安德特人的完整DNA序列建立。為了保證DN A 序列的精準(zhǔn)，每個(gè)序列的確定都至少測定了50次。研究尼安德特人期間（2010年），帕博團(tuán)隊(duì)還僅僅通過從牙齒和指骨化石（2008年在西伯利亞南部阿爾泰山脈的丹尼索瓦洞中被發(fā)現(xiàn)）中提取的DNA，便確定了一個(gè)全新的人種——丹尼索瓦人，隨后成為《科學(xué)》2012年度十大科學(xué)突破之一。

這些僅僅是我們的祖先與其他古人類基因交流的冰山一角

這一系列的DNA破譯最終證明，尼安德特人和丹尼索瓦人都和現(xiàn)代人發(fā)生了一定的基因交流。非洲以外的現(xiàn)代人類，依然保有1%～2%的尼安德特人的基因，且部分基因與現(xiàn)代人的糖尿病、心臟病、抑郁癥等有關(guān)；亞洲、澳洲地區(qū)的現(xiàn)代人類，還有1%～6%的丹尼索瓦人的基因。

通過DNA 數(shù)據(jù)，還能進(jìn)一步建立起人類的進(jìn)化關(guān)系脈絡(luò)——智人曾與尼安德特人（距今約3萬年前滅絕）和丹尼索瓦人發(fā)生過基因交流。但其實(shí)，這些都僅僅是我們祖先與其他古人類基因交流的冰山一角。

帕博獲得諾獎(jiǎng)的真正原因，并不僅僅是破譯了尼安德特人的基因，而是開拓了破譯古DNA的技術(shù)，并建立了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，讓更多的古DNA 破譯成為可能。在非洲還有大量的古人類DNA尚未破譯，2010年之后，隨著高通量測序的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能夠測序古生物中極其微量的DNA。隨著大量破譯工作的積累，未來，不僅人類的起源會越來越清晰，甚至人類各個(gè)文明起源的確定，都有了更多可能性。

在未來，無論對人種還是物種的溯源，以及對疾病的溯源，古基因組學(xué)都將繼續(xù)發(fā)揮它的重要價(jià)值。

當(dāng)年，威爾遜因?yàn)槿ナ蓝c諾貝爾獎(jiǎng)失之交臂，作為學(xué)科的奠基人，帕博的貢獻(xiàn)可謂青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。人們很難猜到，2022年的諾獎(jiǎng)會落在這個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。帕博的獲獎(jiǎng)，與其說是冷門，不如說是年輕的古基因組學(xué)正在全球興起，獲得諾獎(jiǎng)實(shí)至名歸。

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