解碼40萬年前的人類DNA

袁泉

英國(guó)《自然》雜志2014年1月16日發(fā)表文章稱，德國(guó)馬克斯-普朗克進(jìn)化人類學(xué)研究所的科學(xué)家在位于西班牙的“骨坑”

（Sima De Los Huesos）遺址中，解讀出距今約40萬年的古人類線粒體DNA序列。這項(xiàng)研究對(duì)于揭示人類進(jìn)化歷史和進(jìn)化譜系具有重要意義。

線粒體是真核細(xì)胞生物進(jìn)行能量代謝的場(chǎng)所，生物儲(chǔ)存的化學(xué)能在這里被轉(zhuǎn)化為以ATP形式存在的能量，進(jìn)而參與各種生物化學(xué)反應(yīng)。線粒體仿佛是細(xì)胞中的細(xì)胞，具有獨(dú)特的遺傳物質(zhì)和遺傳特性，比如環(huán)狀的線粒體DNA總是來源于母親（母系遺傳） 。相較于細(xì)胞的遺傳物質(zhì)——核染色體來說，線粒體DNA非常短，只有16569個(gè)堿基對(duì)，便于檢測(cè)和研究。更重要的是，作為能量代謝的場(chǎng)所，線粒體DNA上的非編碼區(qū)基因突變率比較高，這些高變區(qū)可以作為生物演進(jìn)和分類的依據(jù)。

此前，科學(xué)家已經(jīng)得到了兩支不同的古人類線粒體DNA序列，分別來自尼安德特人和丹尼索瓦人。尼安德特人曾經(jīng)廣泛分布于歐洲大部，甚至遠(yuǎn)至中亞的阿爾泰山，最早出現(xiàn)于35萬至60萬年前，距今約3萬年前滅絕，因1856年在德國(guó)的尼安德特河谷中首先發(fā)現(xiàn)而得名。隨著分子人類學(xué)迅猛發(fā)展，1997年，科學(xué)家首次獲得了尼安德特人的線粒體DNA序列，第一次從分子層面上證實(shí)了尼安德特人和現(xiàn)代人的不同。有趣的是，2010年，科學(xué)家通過核染色體測(cè)序，發(fā)現(xiàn)非洲以外地區(qū)的現(xiàn)代人有1%至4%的基因來自尼安德特人。

##2#@

丹尼索瓦人生活在距今約4.1萬年前。2010年，科學(xué)家分析了中亞阿爾泰山地區(qū)丹尼索瓦洞穴出土的一段指骨和臼齒的線粒體DNA序列，發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)獨(dú)特的人種，便將其單獨(dú)分類。

經(jīng)過漫長(zhǎng)的歲月，古人類化石中的有機(jī)物分子都已經(jīng)分解和斷裂。當(dāng)DNA分子降解到一定程度以后，即使目前最先進(jìn)的古DNA測(cè)序手段也無法檢測(cè)，所以，能用于分子人類學(xué)研究的高質(zhì)量化石少之又少。西班牙北部地區(qū)的多處山洞內(nèi)，出土了從早更新世到全新世的人類遺骨化石。其中的“骨坑”遺跡以其獨(dú)特的保存環(huán)境，為科學(xué)家提供了優(yōu)質(zhì)的中更新世人類化石，包含至少28個(gè)人類個(gè)體，超過40萬年歷史。該遺跡位于13米的垂直礦井下，低于地表約30米。洞中的濕度和溫度均有利于古DNA保存。

分子人類學(xué)家從保存良好的骨骼中鉆孔取樣、研磨，經(jīng)過一系列古DNA提取步驟和測(cè)序分析，可得到一系列不同長(zhǎng)度的DNA序列，其中包含已經(jīng)降解的古DNA碎片和作為污染物的現(xiàn)代人類DNA。為了識(shí)別真實(shí)的古DNA，科學(xué)家只能挑出很短的、具有古 DNA特征的序列。經(jīng)過計(jì)算機(jī)程序分析，這些短小的古DNA序列，可以精確地拼合成完整的基因序列。

“骨 坑”出土的人類頭骨具有一些海德堡人的形態(tài)特征， 同時(shí)也顯示出由尼安德特人演化的明顯痕跡。海德堡人可視做非嚴(yán)格定義的早期人類，可能演化為尼安德特人或位于非洲的早期人類。線粒體基因序列的結(jié)果表明，“骨坑”中的古人類在遺傳距離上和丹尼索瓦人較近，而離尼安德特人較遠(yuǎn)。

這一結(jié)果出乎科學(xué)家的預(yù)料，因?yàn)椤肮强印敝械娜斯菐в心岚驳绿厝搜莼奶卣鳎ㄑ例X、下頜、眼眶、枕骨等形態(tài)），而且丹尼索瓦洞穴和“骨坑”的地理位置也相距遙遠(yuǎn)。

對(duì)此，科學(xué)家做了如下的分析：

第一種可能：“骨坑人”可能和丹尼索瓦人的祖先高度相關(guān)。這種情況的可能性很低，因?yàn)槿绻肮强尤恕笔堑つ崴魍呷说淖嫦龋敲礆W洲西部將會(huì)出現(xiàn)丹尼索瓦人，它們和尼安德特人的祖先會(huì)在地域上重合。如果這樣，就無法解釋丹尼索瓦人和尼安德特人的分化。目前，科學(xué)家還無法獲取丹尼索瓦人的形態(tài)學(xué)信息，提供丹尼索瓦人DNA樣本的那枚臼齒尺寸超大，和“骨坑人”的牙齒不同。而且，“骨坑人”的生活年代太久遠(yuǎn)，可能在丹尼索瓦人和尼安德特人開始分化之前就存在了。

##3#@

第二種可能：“骨坑人”和丹尼索瓦人、尼安德特人都不同，可能后來對(duì)丹尼索瓦人的線粒體DNA有貢獻(xiàn)。但這意味著類似尼安德特人的形態(tài)學(xué)特征，出現(xiàn)在與尼安德特人無關(guān)的人群中。

第三種可能：“骨坑人”是丹尼索瓦人、尼安德特人共同的祖先。從年代上看，這個(gè)最合理。但問題是，如何解釋兩個(gè)高度分化的DNA序列，其中一種遺傳到丹尼索瓦人身上，而另一種演化到尼安德特人身上？

第四種可能：一種未知的古人類，將類似丹尼索瓦人的線粒體DNA遺傳給“骨坑人”或其祖先，同時(shí)也將線粒體DNA遺傳給了位于亞洲的丹尼索瓦人。化石證據(jù)表明：在中更新世的歐洲，曾出現(xiàn)不止一個(gè)古人類演化系。與“骨坑人”相近的年代里，非洲、亞洲有一些古人類生存，但他們不具有顯著的尼安德特人特征，通常被歸入海德堡人的范疇。“骨坑人”是否屬于海德堡人，還有待進(jìn)一步研究。此外，在距離 “骨坑”800千米的地方，出土了更古老的人類化石，具有和亞洲直立人類似的形態(tài)特征。

目前，第四種的可能性較大，但需要通過核染色體基因來確認(rèn)。不過，核染色體基因序列更長(zhǎng)更復(fù)雜，且在古人類樣本中的含量太低，這給分子人類學(xué)家造成了巨大的挑戰(zhàn)。endprint