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人类基因组计划20周年!中科院付巧妹团队登Science特刊,从古DNA中一窥人类演化

豌豆先生 2021-10-13 21:33:21生物资讯
1990年,人类基因组计划启动,2001年,长达30亿碱基对的人类基因组草图绘制完成。 在人类基因组公布后的20年里,遗传学的进步飞速发展。 然而,尽管有了这些进步,我们仍然缺乏能力来预测个人的遗传基因组是如何促成衰老、复杂疾病,甚至一些单基因疾病。

1990年,人类基因组计划启动,2001年,长达30亿碱基对的人类基因组草图绘制完成。

 

在人类基因组公布后的20年里,遗传学的进步飞速发展。

 

然而,尽管有了这些进步,我们仍然缺乏能力来预测个人的遗传基因组是如何促成衰老、复杂疾病,甚至一些单基因疾病。

 

人类基因组计划20周年!中科院付巧妹团队登Science特刊,从古DNA中一窥人类演化(图1)

(左边)1至22号染色体以及X和Y染色体,(中间)染色体特征和染色密度,(右边)与孟德尔疾病有关的基因和癌症中发现的基因突变

 

本次Science特刊上共有4篇关于人类基因组的研究报告。

 

其中,中科院古脊椎所的研究员系统地梳理了过去十余年来古人类基因组学研究的发展。

 

从灭绝的现代人近亲开始


在过去的十年里,DNA测序技术和实验室制备协议的最新进展迅速扩大了古代DNA研究的范围,在时间上和地理上都是如此。

 

这种新型的数据使我们能够研究人类人口动态的深层过去,并使目前对我们现在的理解更加清晰。

 

古代DNA领域的持续发展改变了我们对人类遗传历史的理解,使我们能够一窥过去几千年来全球人类的遗传历史。

 

人类基因组计划20周年!中科院付巧妹团队登Science特刊,从古DNA中一窥人类演化(图2)

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8202


到20世纪80年代末,人们发现DNA可以在生物体死亡后长期存活,不过是高度降解的,而且经常发生化学变化。

 

此外,早期对aDNA特征的尝试仅限于短的DNA片段。

 

但随着HTS技术的进步以及对DNA降解更深入的理解,因此在2010年,三个古基因组草图得到发表:一个尼安德特人、一个丹尼索瓦人,以及一个来自格陵兰岛的一个4千年的现代人。

 

近年来,已测序的古人类基因组的数量成倍增长。

 

人类基因组计划20周年!中科院付巧妹团队登Science特刊,从古DNA中一窥人类演化(图3)

2021年6月前公布的古人类基因组

 

早期现代人的多样性


对尼安德特人和丹尼索瓦人常染色体的分析表明,他们之间的关系比现代人更加密切。

 

从共享遗传变体的水平来看,估计古人类在大约55万年前与现代人分离,尼安德特人和丹尼索瓦人在大约40万年前相互分离。

 

在现今的人口中广泛检测到与尼安德特人和丹尼索瓦人的基因混杂。

 

东亚人的基因组中含有的尼安德特人祖先的数量高于西方欧亚人(分别为2.3-2.6%和1.8-2.4%)。

 

不过,在校正了向非洲人口的回迁之后,非洲以外的人口中尼安德特人祖先的水平差异较小。

 

人类基因组计划20周年!中科院付巧妹团队登Science特刊,从古DNA中一窥人类演化(图4)

古人类和早期现代人的人口历史

 

非洲

 

遗传数据强烈支持现代人起源于非洲,早期现代人类体的形态表明在更新世的非洲有地理上分散的种群。

 

根据对遗传多样性和分化时间的估计,已经提出了许多地点,包括在南非、西非、东非和中非。

 

据推测,现代人是从一个相互联系的泛非洲人类中出现的,但还需要进一步的证据来检验这一模式。

 

在大约25万年前到20万年前之间的某个时间,对早期现代人类祖先有贡献的五个主要分支在短时间内开始相互分裂。

 

欧亚大陆

 

早在约4万5千年前时就生活在欧亚大陆的早期现代人已经获得了基因组数据。

 

其中一些品系没有显示出与后来人类的遗传连续性,而其他品系则可能与现今的人类人类有遗传联系。

 

古代欧洲人的祖先在今天的西欧亚人中被发现,其代表是来自欧洲的两个3.7万至3.5万前的个体。

 

古代北西伯利亚人与西欧亚人分化,与早期西欧亚人和早期东亚人都有亲缘关系。

 

此外,古代北欧亚人,与美洲原住民密切相关,这一点由现今俄罗斯的一个约两万4千年前的个体所显示。

 

在东亚,来自现今中国的田园洞人一个约4万年前的个体代表了一个与现今亚洲人有关的人类。


尽管我们目前对这些早期的知识了解甚少,但很明显,随着时间的推移,整个欧亚大陆的人口结构不断增加,人口互动越来越多,移民越来越多。

 

随着来自早期欧亚大陆的古人类基因组的增加,我们开始拼凑欧亚大陆的更新世人口历史。

 

最近通过对保加利亚约4.6万到4.3万年前个体的基因组分析,发现了一个与田园洞人和GoyetQ116-1都有联系的群体。

 

末次冰盛期


末次冰盛期是欧洲、东亚和西伯利亚环境条件恶劣的时期。

 

在末次冰盛期之后,来自不同欧洲避难地的狩猎采集者之间观察到了混杂现象。

 

在东亚,与田园洞人有关的祖先和来自阿穆尔的一个约3.3万年前的个体在末次冰盛期之前广泛分布于东亚北部。

 

与欧洲和东亚的情况类似,西伯利亚的人口也发生了变化,早期现代人至少在4.5万年前时就已定居。

 

在末次冰盛期之后,携带古代北西伯利亚人和古代北欧亚人血统的人被古代西伯利亚人所取代,范围从西伯利亚东北部到贝加尔湖以南。

 

在末次冰盛期之后,出现了一个更温暖和更稳定的气候,从这个时期开始,人类人口动态的特点是一系列的快速扩张、迁移、互动和替换。

 

人口流动的模式因地区而异,有些基本上限于长期的人口连续性和内部互动(如东亚大陆和澳大利亚),有些则以反复出现的人口混杂和替换为主(如欧洲和欧亚草原)。

 

人类基因组计划20周年!中科院付巧妹团队登Science特刊,从古DNA中一窥人类演化(图5)

末次冰盛期之后全球的主要人口动态

 

在目前的现代人类种群中,非洲人的遗传多样性是最高的。

 

古代基因组显示,一些早期非洲人在遗传上与近东人口有联系。

 

在大约5到1千年之间,撒哈拉以南非洲的牧民和农民之间发生了多次混杂事件,产生了今天的东非人口。

 

可以说,近期非洲人口史上最重要的事件之一是与西非有关的班图人的散布。它呈现了已知的最大的农耕人口扩张事件之一,并将农业和西非相关的祖先传播到撒哈拉以南非洲的大部分地区。

 

此外,遗传学和考古学证据支持牧民从非洲东部向南部扩张。

 

到目前为止,已经重建了6000多个古代基因组,但我们只是触及了人类历史的表面,还有许多空白有待填补。

 

由于获取和保存方面的差异,绝大多数的古基因组(特别是那些超过3万年的)都来自欧亚大陆北部,非洲、亚洲、美洲和大洋洲的采样有限。

 

遗传学和考古学证据表明,人类探索、生存和居住在各种环境中,包括极其严酷的北极条件。

 

对过去的详细重建,特别是对诸如在末次冰盛期遇到的挑战性条件,将有助于揭示人类对极端环境的适应。

 

虽然本文的重点是人类的进化,但对人类病原体的aDNA研究可以了解病原体的进化和宿主与病原体之间的相互作用,从而更好地了解我们对传染病原体的适应情况。

 

作者介绍


本论文第一作者中科院古脊椎所刘逸宸特别研究助理,毛晓伟副研究员,通讯作者为付巧妹研究员。

 

付巧妹

 

人类基因组计划20周年!中科院付巧妹团队登Science特刊,从古DNA中一窥人类演化(图6)

 

中国科学院脊椎动物演化与人类起源重点实验室副主任,古DNA实验室主任。

 

2007年在西北大学获理学学士学位,2009年在中国科学院研究生院获硕士学位,2013年在德国马克思.普朗克进化人类研究所获演化遗传学博士学位。

 

2010年1月起,负责中国科学院古脊椎动物与古人类研究所中德人类演化与科技考古联合实验室古DNA平台;先后在德国马普进化人类学研究所和美国哈佛医学院从事博士后研究工作。

 

目前她在国际核心期刊发表重要论文40余篇,其中高影响论文有31篇,在Nature、Science、Cell期刊发表20篇,论文总IF超过500,引用次数超过3000次。

 

相关成果入选Nature「2014年度十大科学事件」、「2016年度中国古生物学十大进展」等。

 

因成果显著,她被《Nature》评为「中国十大科学之星」之一,被CCTV评为「中国科技创新人物」之一,入选发展中国家科学院(TWAS)青年通讯院士、国家杰出青年科学基金资助项目。


并获得了「美国HHMI国际青年科学家奖」、「第十五届中国青年科技奖-特别奖项」、腾讯「科学探索奖」,主持科技部国家重点研发计划项目等。 



参考资料:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm1359

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8202

http://www.ivpp.cas.cn/sourcedb_ivpp_cas/zw/rck/yjy/201605/t20160513_4601203.html

https://mp.weixin.qq.com/s/wlYCRCOGq3scVjryzsP_qQ


转自:新智元