從木乃伊到古基因組學：是什么使我們成為獨一無二的人類

沈曲 王傳超

2022年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予瑞典科學家斯萬特·帕博（Svante P？？bo），以表彰他在已滅絕古人類基因組和人類演化領域中的貢獻。自20世紀80年代以來，帕博就致力于從遺傳學角度探索人類演化歷史。從發(fā)表已滅絕的古人類尼安德特人的全基因組草圖，到通過古DNA發(fā)現(xiàn)從未被識別的已滅絕古人類——丹尼索瓦人，帕博從古人類遺骸中提取DNA并測序，為理解古人類關系提供了一種比形態(tài)學更準確有效的方法，突破了以往對人類演化史的認知，通過比較現(xiàn)代人與已滅絕古人類的基因差異和聯(lián)系，揭示“我們與已滅絕古人類有什么關系”，創(chuàng)造性地回答了“我們因何為人”這個看似天方夜譚的命題，也將現(xiàn)代人類的“晚近非洲起源說”修正為“晚近非洲起源且附帶雜交說”。經(jīng)過30多年的努力，帕博開創(chuàng)的學科——古基因組學已有了成熟化、標準化的研究體系，并逐漸成為一個應用廣泛、極有發(fā)展前景的領域。

從木乃伊到尼安德特人

帕博1955年出生于瑞典，其父母都是科學家，母親卡琳·帕博（Karin P？？bo）是一名愛沙尼亞化學家，父親蘇恩·伯格斯特龍（Sune Bergstr？m）是瑞典著名生物化學家，曾于1982年獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。帕博在斯德哥爾摩長大，他回憶童年時常與伙伴們在森林里玩“石器時代”游戲、收集上千的陶器碎片。母親曾三次帶他去埃及旅行，同所有孩子一般，帕博被木乃伊和金字塔深深吸引。

兒時經(jīng)歷讓帕博自小就對埃及學、考古學等深深著迷，他甚至在本科階段選擇埃及學作為專業(yè)。在烏普薩拉大學攻讀博士學位期間，帕博主修腺病毒，但又忍不住涉獵老本行埃及學。他曾在回憶錄中寫道：“我對古埃及的浪漫迷戀揮之不去”。當時，分子克隆技術興起，帕博通過閱讀文獻了解到當時還無人嘗試從古人類遺骸中提取DNA，思緒飄回漫天黃沙的古埃及，他知道埃及博物館中保存有數(shù)以千計的木乃伊。帕博找到可做實驗的木乃伊樣本后，便利用課余時間嘗試從中提取DNA。將分子克隆技術運用于木乃伊，是令人耳目一新的嘗試，其面臨的最大挑戰(zhàn)是，仍不清楚歷經(jīng)千年的人類遺骸中是否還有DNA的存在。強烈的探索熱情驅使他深入研究，他也真的在一具2400年前木乃伊的組織上看到了細胞核發(fā)出的標記熒光，這說明木乃伊中有DNA存在。最終，他撰寫的從木乃伊中成功提取DNA的論文于1985年在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表[1]。這項研究證明古人遺骸中仍有DNA存在，并且這些DNA片段可以被克隆和測序。這個成功的開端激勵了帕博，他想做的不僅是獲取木乃伊的DNA序列，更重要的是，他想借此研究古埃及人群的遺傳歷史，這是一段空白。但當時由于技術限制，現(xiàn)代人DNA污染問題難以解決，對結果的真實性有著較大干擾，帕博沒能繼續(xù)這項研究。

但從木乃伊生發(fā)的由古DNA研究族群歷史的想法并未中斷，反而生根發(fā)芽，被帕博運用在對已滅絕古生物的研究中。1987年，帕博進入加州大學伯克利分校艾倫·威爾遜（Allan Wilson）實驗室做博士后，應用新興的聚合酶鏈式反應（PCR）技術，從事已滅絕動物的基因研究，在樹獺、洞熊、恐鳥、猛犸象等物種的研究上取得一系列成果。帕博表示，在威爾遜實驗室他才得以真正地研究開發(fā)古DNA技術，但通過古DNA研究人類歷史演進一直是其心系多年的夢想。1990年，帕博回到歐洲，成為慕尼黑大學教授，又于1997年在德國萊比錫成立馬克斯·普朗克進化人類學研究所，他的研究對象也重新回到古人，這一次他把目光聚焦到現(xiàn)代人已滅絕的旁系親屬——尼安德特人（簡稱尼人）。同年，帕博等從德國的尼人化石中成功提取線粒體高變區(qū)HVRI的379堿基對的DNA片段，通過嚴格的對照組實驗證實了內源性DNA的真實存在[2]。帕博將其與現(xiàn)代人的序列比較后，發(fā)現(xiàn)尼人十分特殊，他們的線粒體DNA序列在現(xiàn)代人的變異范圍之外，這表明尼人在滅絕前并未向現(xiàn)代人貢獻線粒體。但此結果只是基于個體的線粒體序列，并不排除尼人為現(xiàn)代人貢獻其他DNA的可能性。

對尼人的研究并未止步于線粒體。隨著二代測序技術出現(xiàn)、人類基因組計劃工作草圖的發(fā)表，帕博等于2010年發(fā)表了來自3個尼人個體超過40億個核苷酸的尼人全基因組草圖，證明其曾與現(xiàn)代人發(fā)生過基因交流[3]。長久以來有關現(xiàn)代人是否與尼人雜交的爭論，因遺傳學證據(jù)而畫上了圓滿句號。該研究中，帕博及其團隊將尼人基因組與來自世界不同地區(qū)的5個現(xiàn)代人進行比較，發(fā)現(xiàn)相比于現(xiàn)代撒哈拉以南的非洲人，尼人與歐亞大陸現(xiàn)代人共享更多遺傳突變，這表明與非洲人群分離后，現(xiàn)代人在歐亞大陸與尼人發(fā)生混血，非洲以外現(xiàn)代人約有1%～4%的基因源自尼人。帕博團隊還識別出現(xiàn)代人的祖先基因組里與新陳代謝、認知能力和骨骼發(fā)育等相關的一些遺傳片段受到正向選擇的影響，這也為回答“我們如何成為我們”打開了一個新的窗口。

從木乃伊起步，到解密尼人DNA密碼，帕博持續(xù)點燃世界的想象力，直到又一次扔下“重磅炸彈”——發(fā)現(xiàn)另一種對現(xiàn)代人有基因貢獻的已滅絕古人類。2010年，帕博率團隊從阿爾泰山丹尼索瓦山洞發(fā)現(xiàn)的一節(jié)指骨化石中提取到線粒體DNA并測序，發(fā)現(xiàn)這是一種迄今未知的古老人類，雖然這一未知古人類與現(xiàn)代人及尼人擁有共同祖先，但相比于尼人與現(xiàn)代人之間約200個核苷酸的差異，這種古人類與現(xiàn)代人之間的核苷酸差異則近400個，或表明現(xiàn)代人與他們共祖的時間約為與尼人的2倍[4]。同年，帕博團隊與戴維·賴克（David Reich）團隊合作再對這塊指骨的核基因組進行分析，發(fā)現(xiàn)他與尼人親緣關系更近，互為姐妹群，他們的共同祖先與現(xiàn)代人祖先分離后，兩者再相互分離[5]。該研究還發(fā)現(xiàn)該人群為美拉尼西亞人群貢獻了約4.8%的基因。至此，這個新的人群根據(jù)發(fā)現(xiàn)地點被正式命名為“丹尼索瓦人”（簡稱丹人），他們可能于晚更新世時期在亞洲廣泛存在。這也是第一例由DNA確認的古人類。后期，帕博等又發(fā)表了更高覆蓋度的丹人核基因組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其與尼人也曾發(fā)生過基因交流，并進一步探索了其與尼人及現(xiàn)代人之間的關系[6，7]。

站在巨人肩膀上向前一步

帕博的研究取古人類學、遺傳學所長，他細致地觀察牙齒、骨骼、皮膚組織甚至糞便，逐一攻克多種生物的基因密碼。帕博在古基因組學上的斐然成就有他個人的努力，同時也離不開先驅們在相關理論及技術上的杰出貢獻，帕博是站在巨人肩膀上開啟新征程。帕博的導師威爾遜率先把PCR和DNA測序引入生物演化研究，是重建生物譜系的先驅和開拓者。但威爾遜的研究，如解密現(xiàn)代人起源的DNA密碼、探索疾病與基因調控的關系等，仍處于橫向比較的“二維角度”。而帕博則從古人DNA角度切入，為人類生物譜系研究引入時間維度，使其發(fā)展為“三維”，從此可觀察人類DNA在時間尺度上的發(fā)展演化，以及相關疾病的遺傳歷史。

古DNA相關研究的開展還依托技術的進步。古DNA技術的發(fā)展經(jīng)歷三次革命。分子克隆技術推動古DNA研究的起步，這是第一次技術革命，該技術將古DNA在宿主菌中增殖后進行測序。但由于該技術所需DNA量較大而古人遺骸中的含量極少且損傷嚴重，導致實際克隆效率很低。

1983年，PCR技術出現(xiàn)，使得通過少量模板就可實現(xiàn)目標古DNA的大量擴增，這是第二次技術變革。1988年，帕博率先將PCR技術應用到古人類DNA研究中，對來自7000年前古人的線粒體DNA片段擴增并測序，發(fā)現(xiàn)了美洲原住民中未知的線粒體譜系。這一時期的研究開始基于古代樣本的線粒體DNA，但PCR技術對核基因組的處理卻不盡人意。

古DNA技術的第三次革命伴隨二代測序技術而來，它不再是通過毛細管電泳測序，而是在序列合成過程中邊合成邊測序，突破了以往基于PCR擴增和毛細管電泳測序的低通量的技術瓶頸，為古DNA研究開辟了新賽道。帕博帶領團隊不斷對擴增和測序技術進行優(yōu)化，并運用在新的研究中，實現(xiàn)突破。2009年，他們開創(chuàng)了適用于捕獲短片段的引物延伸捕獲法（PEC），運用該方法重建了5個尼人線粒體DNA序列，發(fā)現(xiàn)晚期尼人的線粒體DNA的遺傳多態(tài)性是現(xiàn)代人的1/4。已滅絕古人類丹人，也是帕博攜團隊通過此方法率先識別出來的。但PEC法在獲取較大目標片段時存在一定缺陷，帕博等又將芯片捕獲外顯子方法（AHC）應用于古DNA研究，再次突破技術瓶頸，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代人與尼人分離后產(chǎn)生的88個替代氨基酸，為基因進化、多樣性等研究提供重要啟示。正是基于前述技術進步和優(yōu)化，2010年帕博得以重建尼人全基因組草圖，并宣布現(xiàn)代人與尼人有過基因交流這一重磅消息。

人類古DNA研究中無法避開的另一重要問題是現(xiàn)代人DNA污染。當年帕博克隆木乃伊DNA時，最大的困難就在于無法鑒別其真實性。在漫長的時間中，水解、氧化等作用導致古DNA降解嚴重。帕博發(fā)現(xiàn)脫嘌呤與古DNA降解有關，且古DNA的尿嘧啶由胞嘧啶脫氨基作用誘導并隨著時間推移而積累，錯誤編碼的胞嘧啶殘基引起的替換在DNA序列中的比例極高，并在分子末端大量聚集，而其他替換則很少見。結合高通量測序技術，帕博建立了評估模型，可幫助確認外源污染率，這是古基因組數(shù)據(jù)分析前的重要質控步驟。例如，在發(fā)布第一個尼人基因組草圖時，帕博就使用了分別針對線粒體DNA、Y染色體和核DNA的三種方法來評估現(xiàn)代人DNA污染水平，證明數(shù)據(jù)代表真正的尼人DNA序列。

另外，帕博還建立超凈實驗室，規(guī)范古DNA實驗流程。實驗室通常分多個獨立房間，供特定的實驗步驟使用，以防止交叉污染；實驗室裝有空氣過濾等系統(tǒng)，所有設備須經(jīng)嚴格消毒處理，且每日使用紫外燈照射；實驗人員必須穿戴好全身防護裝備等。時至今日，他所設立的標準在全球古DNA實驗室實行。在帕博的努力下，古基因組學已形成一套標準化研究體系。

建立人類古DNA地圖集

古DNA研究帶著時間刻度再現(xiàn)人類幾十萬年的演化與適應，不單重現(xiàn)已滅絕古人類，還讓我們看到古人類在現(xiàn)代人身上留下且持續(xù)發(fā)生影響的痕跡?，F(xiàn)代人一些重要功能基因單倍型很可能來自已滅絕的古人類。一些基因差異的功能也被深入解析，其目的都是解釋什么使我們成為獨一無二的人類，如與人類語言系統(tǒng)相關的FOXP2基因包含氨基酸編碼和核苷酸多態(tài)性模式的變化，被推測是自然選擇的結果。

2019年末開始席卷全球的新型冠狀病毒，帕博等在研究中發(fā)現(xiàn)其對人體影響的嚴重程度也受到來自尼人遺傳成分的影響[8]。他們發(fā)現(xiàn)3號染色體上的一個基因簇是冠狀病毒感染后發(fā)展為重癥的主要遺傳風險因素，而該風險是由一段從尼人繼承的約50堿基對的基因片段帶來的。這一遺傳風險在南亞和歐洲人群中較高，而對東亞和非洲人群來說幾乎不存在。另外，也有其他學者的相關研究，共同揭示了已滅絕古人類對現(xiàn)代人的影響，如尼人的基因滲入幫助人類適應歐亞大陸寒冷環(huán)境，但其基因也可能與煙酒上癮、抑郁癥、血栓、尿道功能失常、光化性角化病等相關；再如來自丹人的 EPAS1基因突變帶來高海拔適應性；還有研究表明在末次盛冰期末，與東亞人特有的鏟形門齒表型相關的基因型頻率升高，也許與環(huán)境適應性相關。

帕博繼續(xù)“腦洞大開”，另辟蹊徑地通過尼人的遺傳信息，嘗試復原其社會組織的建構，對此我們知之甚少。通過雜交捕獲獲得尼人群體的全基因組水平的數(shù)據(jù)，帕博發(fā)現(xiàn)至少有一些尼人個體作為小社群的一部分在一起生活過，另外Y染色體的多樣性比線粒體DNA的多樣性低一個數(shù)量級，也許這是社群間女性多由外來的緣故[9]。

帕博引爆的這些“重磅炸彈”，激勵全世界相關科學家參與對古人類基因組信息的收集和研究中。從歐洲開始，陸續(xù)有來自亞洲、美洲、大洋洲、非洲的古基因組數(shù)據(jù)發(fā)表，目前已積累上萬個古人的基因組，逐漸構成一本人類古DNA地圖集，這將不同時空的人群納入一個共同框架，實現(xiàn)對人群遷徙融合等事件的精細刻畫，為后續(xù)研究提供重要參考。這也引發(fā)了對研究倫理的相關討論。2021年，來自全球31個國家64位合作者共同討論起草的人類遺骸研究倫理規(guī)范在《自然》（Nature）上發(fā)布，它提出了全球適用的五條新規(guī)則，旨在保護古人遺存并更合理地開展研究。在未來研究中，會更關注倫理，在保護的基礎上進行科學研究，這將提高古DNA研究的規(guī)范性。

“無用”之用

迅速發(fā)展的理念與技術、充足經(jīng)費的支持、強烈的興趣驅動等因素，都是帕博成功的關鍵。但這也許是一次有爭議的諾獎，因為與之前的獲獎者相比，在帕博的研究中，既沒有發(fā)明任何新技術，也沒有得出改變人類疾病或健康的重要結果，甚至并不具備經(jīng)濟效益，也不能為公眾帶來任何便利。在這個效率至上的年代，這些讓帕博的研究看起來似乎是“無用”的。

但就是這些看似“無用”的研究，幫助解答人類最強烈的追索：“我們是誰，我們從哪里來，我們要到哪里去？”實際上，人類技術進步太快，而對自身的理解卻太少。帕博與其團隊為生物演化歷史打開了一扇新的研究之門，已滅絕的古人類甚至動物都從殘存的骨骼里煥發(fā)出有血有肉的活力，向我們訴說過去發(fā)生的一切。帕博的研究也影響了世界各地的科學家們，他們共同拓寬帕博的工作，重構了在亞洲、美洲、大洋洲、非洲曾發(fā)生過的人類遷徙與融合的故事，甚至在南極的沉積物中也追蹤到各類已滅絕動植物的蹤影。似乎在不遠的未來，我們可以實現(xiàn)“給我一抔土，我可以復活整個世界”的暢想。這是真正的“無用”之用。

重建尼人基因組的想法在幾年前都被認為是癡人說夢。但現(xiàn)在，帕博做到了，并通過基因組展開全方位的研究。帕博繼續(xù)天馬行空，他表示有時喜歡做思想實驗——尼人繁衍了約2000代就在這個星球上消失了，假如他們能繼續(xù)生存直到今天，那會是怎樣的一幅圖景？會經(jīng)歷種族歧視嗎？如果他們還活著，我們也許不能把自己和類人猿很好地區(qū)分開，也許人類與動物的分界會更加模糊？我們永遠無法知道這些問題的答案，但帕博認為思考這些問題十分有趣，它有種特殊的魔力，可以反向促使我們更好地認識一些社會問題，也會催生新的研究問題，也許有一天就會顛覆已有的認知。帕博還想了解當代人的基因變化，他想知道為什么古人類曾經(jīng)存在200萬年卻難以輕易穿越湖泊海洋，而現(xiàn)代人僅僅出現(xiàn)10萬年，就已經(jīng)登上了月球。

從埃及學、木乃伊，到找到尼人基因密碼，再到發(fā)現(xiàn)丹人的遺傳譜系，本是毫不相關的學科，但在帕博手里，用好奇心和想象力把它們串聯(lián)在一起，網(wǎng)越織越大，把人們各種千奇百怪的疑惑都捕獲在內?！白叱龇侵蕖敝吩瓉聿⒉缓唵?，我們的祖先一路締結古老的姻緣，將早已消失的同伴們的基因片段攜帶于身，從歐亞大陸一路走來，千萬年的光陰像一道道流星在人們眼前劃過，這是人類智慧的光芒，照亮我們的來時路。

[1]P？？bo. S. Molecular cloning of ancient Egyptian mummy DNA. Nature， 1985， 314（6012）： 644-645.

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[7]Sawyer S， Renaud G， Viola B， et al. Nuclear and mitochondrial DNA sequences from two Denisovan individuals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2015， 112（51）： 15696-15700.

[8]Zeberg H， P？？bo S. The major genetic risk factor for severe COVID-19 is inherited from Neanderthals. Nature， 2020， 587： 610–612.

[9]Skov L， Peyrégne S， Popli D， et al. Genetic insights into the social organization of Neanderthals. Nature， 2022， 610（7932）： 519-525.

關鍵詞：諾貝爾獎 古基因組學 人類演化 尼安德特人丹尼索瓦人 ■