尼安德特人遇到現(xiàn)代人，來(lái)源：Neanderthal Museum
編者按：
在過(guò)去十年，科學(xué)家對(duì)人類基因組數(shù)據(jù)的分析，正在重塑我們對(duì)人類演化歷史及遺傳適應(yīng)的理解。2017年1月19日，來(lái)自美國(guó)、英國(guó)、丹麥和瑞典的六位學(xué)者在《自然》（Nature）發(fā)文，介紹了現(xiàn)代人及古人基因組測(cè)序分析為人類演化研究帶來(lái)的一系列重大突破。
《知識(shí)分子》獲《自然》與作者授權(quán)編譯全文，介紹給關(guān)注人類命運(yùn)與歷史的中文讀者。文章分兩部分，今天刊登第一部分，下周將介紹歐洲、亞洲、美洲與大洋洲人類的遷移史。
撰文 | Rasmus Nielsen, Joshua M. Akey, Mattias Jakobsson, Jonathan K. Pritchard, Sarah Tishkoff, Eske Willerslev
編譯 | 汪鴻儒
審校 | 程莉
責(zé)編 | 陳曉雪
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過(guò)去，我們主要依賴考古學(xué)和古生物學(xué)的數(shù)據(jù)，去理解現(xiàn)代人類，即我們的祖先，出現(xiàn)和擴(kuò)散過(guò)程中的關(guān)鍵事件。然而，僅通過(guò)這些數(shù)據(jù)，我們難以確定不同人群之間的遺傳關(guān)系。另外，考古學(xué)研究雖成功闡釋了文明的傳播，卻難以回答：文明的傳播，到底是由于人群遷移還是僅僅思想的傳播造成的？現(xiàn)在，通過(guò)對(duì)現(xiàn)代人以及古人基因組數(shù)據(jù)的研究這一全新視角，我們可以直接確定不同人群的系譜關(guān)系、遷移路徑以及基因混合的情況。
20世紀(jì)80年代，DNA數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，使得我們可以用大量分子遺傳數(shù)據(jù)對(duì)不同人類起源理論進(jìn)行直接的檢驗(yàn)。線粒體DNA和其它簡(jiǎn)單分子標(biāo)記的研究，為我們帶來(lái)了許多關(guān)于人類演化的新洞見(jiàn)。最重要的是，這些研究使得“走出非洲”假說(shuō)被廣泛接納，該假說(shuō)認(rèn)為所有的現(xiàn)代人類起源于非洲并由此向外擴(kuò)張。而與之相對(duì)的一個(gè)假說(shuō)，“多地區(qū)獨(dú)立起源”假說(shuō)，則被廣為證偽——這一假說(shuō)認(rèn)為現(xiàn)代人類是在世界多個(gè)地區(qū)獨(dú)立演化而來(lái)的，伴隨有不同人群之間的基因交流。
研究發(fā)現(xiàn)，人類線粒體DNA譜系的根部在非洲，這一結(jié)果和“走出非洲”的模型是吻合的。然而，線粒體DNA不能重組，由母親直接遺傳給后代，因此只能作為一個(gè)反映母系遺傳的標(biāo)記。僅僅通過(guò)一個(gè)遺傳標(biāo)記去推斷遺傳系譜，有可能并不代表整個(gè)基因組的情況，從而難以真實(shí)反映人類演化歷史。為了更加嚴(yán)格地去檢驗(yàn)復(fù)雜的人類演化模型，結(jié)合核基因組的分析是必需的。20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初期的大量基于線粒體標(biāo)記（或者Y染色體）的研究，仍然留下了許多人類演化的未解之謎。例如，現(xiàn)代人類和和其它人種之間是否有過(guò)基因交流？關(guān)于美洲原住民的來(lái)源，也存在著激烈的爭(zhēng)論。文明的演進(jìn)，例如農(nóng)業(yè)出現(xiàn)和傳播的過(guò)程中，人群遷徙和思想傳播的作用哪個(gè)更重要？對(duì)歐洲及世界其他地區(qū)的農(nóng)業(yè)文明來(lái)說(shuō)，這一問(wèn)題仍不清楚。
圖1：人類演化基因組學(xué)研究的重要里程碑。許多采用基因組數(shù)據(jù)的研究為人類演化歷史貢獻(xiàn)了重要的新見(jiàn)解。
在過(guò)去的十年里，基因組測(cè)序以及古DNA抽取富集方法上的巨大技術(shù)進(jìn)步，使得最終破解這些未解之謎成為可能（圖1）。技術(shù)的進(jìn)步使得研究者能夠從人骨殘骸中提取并測(cè)序幾萬(wàn)年前古人甚至其他人種的基因組。通過(guò)囊括廣泛歷史時(shí)期以及不同地理位置的樣品，為基因組測(cè)序研究加入時(shí)間和空間的維度，這些工作為人類演化研究提供了全新的視角。
本文將綜述人類基因組測(cè)序所帶來(lái)的關(guān)于人類演化的大量重要發(fā)現(xiàn)。有些情況下，對(duì)新基因組數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)一步支持了之前基于考古學(xué)和古生物學(xué)的主流理論；在另一些情況下，則帶來(lái)全新的發(fā)現(xiàn)，而這些發(fā)現(xiàn)，是僅憑之前數(shù)據(jù)完全無(wú)法想象的。
源起非洲
圖2：人類演化歷史簡(jiǎn)化模型。圖中包括已確認(rèn)（實(shí)線）和暫定（虛線）的不同人群之間的遺傳混雜事件。這個(gè)模型也展示了大洋洲人群中潛在的小比例的從早期走出非洲遷移人群中獲得的遺傳成分（藍(lán)綠色）。古DNA研究能夠?yàn)槿巳簹v史提供高精度的認(rèn)知，也揭示了現(xiàn)今的歐洲人包含三個(gè)祖先人群的遺傳混雜。
現(xiàn)代人類的最早化石證據(jù)來(lái)自于埃塞俄比亞，可追溯至15-19萬(wàn)年前。非洲之外，已報(bào)道的現(xiàn)代人類化石證據(jù)有來(lái)自于10萬(wàn)年前的中東，和8萬(wàn)年前的中國(guó)南部。其他人種，如尼安德特人，最早可追溯到40萬(wàn)年前，他們?cè)椴細(xì)W亞大陸，卻在大約4萬(wàn)年前，從化石記錄中消失了（圖2）。
初步的基因組多樣性研究表明，非洲人在所有的現(xiàn)代人群中有著最高的多樣性，并且有著廣泛的群體分化，這個(gè)結(jié)果與人類線粒體DNA譜系根部在非洲的結(jié)果相吻合。一份基于3000個(gè)非洲人樣本的全基因組分子標(biāo)記的研究，在非洲鑒定出了14個(gè)祖先人群。這一人群劃分結(jié)果，和非洲的地理、文化以及語(yǔ)言有著廣泛的相關(guān)性。
圖3：基因組學(xué)研究推測(cè)的人類全球遷移圖。有些遷移路線仍在爭(zhēng)論之中。例如，關(guān)于殖民美洲的遷移路徑仍有一些不確定性。基因組數(shù)據(jù)確定遷移路線，在分辨率上有著局限， 因?yàn)槌醪竭w移之后的進(jìn)一步遷移，可以使得本來(lái)可通過(guò)基因組數(shù)據(jù)分辨的地理趨勢(shì)變得模糊。仍有爭(zhēng)議的遷移路徑用虛線表示。
其它基于更多分子標(biāo)記的研究也在很大程度上支持這些觀點(diǎn)。這些以及更多的研究發(fā)現(xiàn)表明，非洲人群在其演化歷史上保留了巨大而細(xì)分的結(jié)構(gòu)，而且全球人群內(nèi)部最深的遺傳分化（Deepest split）來(lái)自于撒哈拉以南的非洲人群（譯者注：最深遺傳分化，說(shuō)明兩群人之間的分化時(shí)間非常久遠(yuǎn)。如果把地球上的人群兩兩配對(duì)，看分化的時(shí)間，如果有一對(duì)，他們的分化時(shí)間最久遠(yuǎn)，那么他們之間的遺傳分化最深）。有證據(jù)顯示，這一地區(qū)既有古老的、也有新近的人群遷徙事件，伴隨著遷徙，發(fā)生了大量的遺傳混合。在基因組層面，對(duì)非洲人影響最大的遷徙事件，發(fā)生在約4000年前，說(shuō)班圖語(yǔ)（Bantu-language）的人群從尼日利亞和喀麥隆高地，遷徙到撒哈拉以南非洲的大部分地區(qū)。他們隨后和狩獵—采集的土著人群有著廣泛的遺傳混合，甚至有可能替代了這些土著人。其他重要的遷徙事件包括，約7000年前，由畜牧農(nóng)民組成的游牧人群從南蘇丹遷移到非洲的東部和中部；還有約5000年前，農(nóng)牧人群（他們既畜牧又耕作）從埃塞俄比亞遷徙到坦桑尼亞（圖2和圖3）。
基于全基因組測(cè)序的分析發(fā)現(xiàn)，說(shuō)“咔噠語(yǔ)”（click-language）的桑人（San）人群內(nèi)部包含了全球人群中最深的遺傳分化，且這種分化估計(jì)發(fā)生在11-16萬(wàn)年前左右（圖2）。然而，單親遺傳的遺傳標(biāo)記（線粒體DNA或者Y染色體分子標(biāo)記）和語(yǔ)言學(xué)的研究揭示，說(shuō)“咔噠語(yǔ)言”的采獵人群最初的分布可能更加廣泛，而如今除了在非洲南部，在其它的區(qū)域桑人都被取代了。又或者，他們可能起源于東非，在過(guò)去的5萬(wàn)年里，遷徙到了南非。其他說(shuō)“咔噠語(yǔ)言”的狩獵采集人群，包括現(xiàn)在居住在東非的坦桑尼亞的哈扎人（Hadza）和桑達(dá)韋人（Sandawe），與非洲南部的桑人實(shí)際上在基因組上親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。
由于非洲熱帶地區(qū)化石和考古數(shù)據(jù)的缺乏，我們?nèi)詿o(wú)法得知，現(xiàn)代人類在非洲準(zhǔn)確的起源地點(diǎn)。無(wú)論如何，現(xiàn)代人類在非洲的多區(qū)域起源，也就是說(shuō)，現(xiàn)代人的特征在非洲多個(gè)地區(qū)以分散的方式分別演化而來(lái)，然后又通過(guò)基因交流被聯(lián)到一起，仍然是有可能的，特別是在這個(gè)大陸上，有著大量的人群遷徙和混合的機(jī)會(huì)。事實(shí)上，有證據(jù)顯示，現(xiàn)代人類曾經(jīng)和古人類在非洲有過(guò)遺傳混合。想要對(duì)1萬(wàn)年前的非洲人基因組進(jìn)行鑒定，非常具有挑戰(zhàn)，因?yàn)榉侵薜貐^(qū)的環(huán)境，包括局部氣候條件，對(duì)于遺傳物質(zhì)的保存不利，因此非洲一萬(wàn)年前的人樣本中很難提取出DNA。不過(guò)，對(duì)非洲地區(qū)不同地理環(huán)境下的現(xiàn)代狩獵—采集人群全基因組測(cè)序數(shù)據(jù)分析顯示，他們的基因組中，有著古人類基因滲入（通過(guò)交配交換遺傳物質(zhì)）的跡象，部分研究推測(cè)這些古人類和現(xiàn)代人類分化的時(shí)間遠(yuǎn)至120到130萬(wàn)年前，而另外的研究則認(rèn)為分化時(shí)間近達(dá)35000年前。因此，非洲現(xiàn)代人群基因組中，是否存在著古人類的基因滲入還有著爭(zhēng)議，很多正在進(jìn)行的研究就是要準(zhǔn)備解決這個(gè)問(wèn)題。
走出非洲
作為一個(gè)引人注目的事件，現(xiàn)代人類從非洲起源并擴(kuò)散到全世界（圖2），在所有非洲以外的現(xiàn)代人遺傳變異中都留下了很強(qiáng)的信號(hào)，包括較低的多樣性和更強(qiáng)的連鎖不平衡（譯者注：連鎖不平衡，linkage disequilibrium，表示兩個(gè)分子標(biāo)記之間的連鎖狀態(tài)，隨著時(shí)間推移，充分的重組會(huì)打破這種不平衡，趨向連鎖平衡。在當(dāng)前語(yǔ)境下，人群內(nèi)部較強(qiáng)的連鎖不平衡狀態(tài)，暗示著該人群有著較近的共同祖先）。然而，“走出非洲”的次數(shù)、準(zhǔn)確的起源位置、遷移的路徑以及具體時(shí)間仍然很模糊。例如，有證據(jù)分別支持現(xiàn)代人類起源于非洲的東部，中部或者南部；單次或者多次走出非洲；遷移擴(kuò)散路徑為自北向南；擴(kuò)散發(fā)生時(shí)間的估計(jì)也在5-10萬(wàn)年前的范圍。
最近，三份由哈佛大學(xué)、哥本哈根大學(xué)和愛(ài)沙尼亞生物中心分別領(lǐng)銜，世界范圍內(nèi)一百余家科研單位參與的研究，收集了全球地理分布多樣的270個(gè)地點(diǎn)的個(gè)體樣本，產(chǎn)生了全新的、高質(zhì)量全基因組測(cè)序數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的分析結(jié)果也指向單次“走出非洲”的模型。在這次擴(kuò)散中，所有非洲以外的現(xiàn)代人由同一撥走出非洲的人群分出，同時(shí)，可能有少量來(lái)自于更早走出非洲并進(jìn)入大洋洲的那一撥現(xiàn)代人的的遺傳貢獻(xiàn)（譯者注：支持現(xiàn)代人群來(lái)源以單次“走出非洲”為主，同時(shí)暗示多次“走出非洲”，但對(duì)現(xiàn)代人的遺傳貢獻(xiàn)極小，難以確證；多次“走出非洲”的結(jié)論本身在三份研究中也有著爭(zhēng)議。）。此外，離開(kāi)非洲之后，現(xiàn)代人隨即分成了兩撥。一撥人最終留在澳大利亞和新幾內(nèi)亞，而另一撥成為了現(xiàn)代歐亞人的祖先。然而，這些走出非洲的人群，早期分化過(guò)程中具體的遷移路徑仍然是一個(gè)充滿爭(zhēng)議的話題，需要更多的研究。
遭遇尼安德特人
基于基因組的證據(jù)表明，非洲以外當(dāng)代人的祖先曾經(jīng)遭遇過(guò)尼安德特人，并且與之混血。到目前為止，科學(xué)家們研究過(guò)的全球除非洲以外的個(gè)體都含有大約2%的尼安德特人的基因組序列，這說(shuō)明他們之間的混血主要發(fā)生在現(xiàn)代人類剛走出非洲之后不久，這個(gè)結(jié)果也和單次走出非洲的模型是一致的（圖2）?；谶B鎖不平衡的模式，科學(xué)家估計(jì)混血發(fā)生在大約5-6.5萬(wàn)年前，而現(xiàn)代人類祖先與尼安德特人混血的時(shí)間也可為“走出非洲”的時(shí)間估計(jì)設(shè)定下限（譯者注：“走出非洲”的時(shí)間應(yīng)早于與尼安德特人混血的時(shí)間）。
對(duì)留存在現(xiàn)代人的基因組中尼安德特人血統(tǒng)成分進(jìn)一步的估計(jì)分析，則指向更為復(fù)雜的尼安德特人和現(xiàn)代人類互動(dòng)的歷史。具體說(shuō)來(lái)，東亞人比歐洲人多出20%的尼安德特人基因組序列。這個(gè)結(jié)果，一方面可能反映了自然選擇的結(jié)果；另一方面，可解釋為東亞人祖先在和歐洲人分開(kāi)之后，與尼安德特人有著進(jìn)一步的混血（圖2）；又或者，歐洲人與含尼安德特人成分較少的其他人群混血，導(dǎo)致了尼安德特人血統(tǒng)的稀釋。
一個(gè)非常有趣的研究結(jié)果是，對(duì)4萬(wàn)年前羅馬尼亞人的單核苷酸多態(tài)性基因分型研究證實(shí)，尼安德特人對(duì)現(xiàn)代人類的基因滲入在歐亞大陸的多個(gè)區(qū)域發(fā)生過(guò)多次。來(lái)自芝加哥大學(xué)的最新研究揭示，尼安德特人和現(xiàn)代人類之間有著比想象更為復(fù)雜的混血?dú)v史。值得注意的是，我們對(duì)遺傳混合模型的理解仍然是動(dòng)態(tài)的，更為復(fù)雜的種群歷史模型也能解釋目前觀察到的結(jié)果。
遭遇丹尼索瓦人
當(dāng)?shù)谝粋€(gè)現(xiàn)代人類出現(xiàn)在歐亞大陸的時(shí)候，和尼安德特人一樣，至少還有另外一種古人類——神秘的丹尼索瓦人——居住在這片大陸。我們對(duì)丹尼索瓦人的形態(tài)和地理分布知之甚少，因?yàn)槲覀兪峭ㄟ^(guò)從一個(gè)指骨和三顆牙齒中測(cè)出的基因組序列了解到他們的存在的，這些指骨和牙齒發(fā)掘于西伯利亞的丹尼索瓦山洞。丹尼索瓦人和尼安德特人的聯(lián)系最為緊密，他們之間的遺傳分化相當(dāng)于現(xiàn)代人類不同群體之間最深的遺傳分化，分化時(shí)間可追溯至20-40萬(wàn)年前。丹尼索瓦人有許多獨(dú)特的地方，例如，他們有著來(lái)自于和早期人類（很可能是直立人）相關(guān)的遺傳物質(zhì)（通過(guò)遺傳混血獲得）（圖2）。可以說(shuō)，丹尼索瓦人占據(jù)（甚至可能超過(guò)）了古人類在歐亞大陸分布的東端和南端，而尼安德特人分布在西端。
和尼安德特人類似的是，丹尼索瓦人與現(xiàn)代人類有過(guò)雜交。部分人群，包括大洋洲的美拉尼西亞人（Melanesians），其基因組的3-6%序列可能來(lái)自丹尼索瓦人（圖2）。東南亞大陸人群0.1-0.3%的遺傳物質(zhì)也可追溯到丹尼索瓦人。尼安德特人和丹尼索瓦人的基因滲入（introgression）很可能都受到了遺傳選擇的清除。人類所受的選擇似乎大多是針對(duì)滲入的DNA，因?yàn)樵诨蚪M功能區(qū)域，滲入的DNA相對(duì)缺乏（編者注：基因組功能區(qū)域，很可能有一些功能重要的基因。但是在這些區(qū)域，尼安德特人或丹尼索瓦人的序列缺乏，暗示現(xiàn)代人的在這些區(qū)域的序列更加有利，因而被自然選擇保留；反之，則被選擇所清除）。此外，通過(guò)對(duì)現(xiàn)代人群基因組的分析，研究者鑒定出了大片的缺乏尼安德特人和丹尼索瓦人序列的基因組區(qū)域，這一結(jié)果，與有害序列快速清除的推測(cè)是一致的。然而，有一些DNA滲入可能幫助人類適應(yīng)局部的環(huán)境，例如藏族人對(duì)高海拔的適應(yīng)。
對(duì)第一個(gè)可靠的古人類基因組的研究，科學(xué)家檢測(cè)到了兩個(gè)非常明確的古人類與現(xiàn)代人類混血的事件。自那以后，我們漸漸了解到，這類事件比之前檢測(cè)到的更加常見(jiàn)，不同現(xiàn)代人類和古人類人群之間的混血時(shí)有發(fā)生（圖2）。丹尼索瓦人對(duì)美拉尼西亞人和澳大利亞原住民的基因滲入，是發(fā)生在澳大拉西亞（Australasia）還是亞洲，目前仍不清楚，因?yàn)榘拇罄鱽喨俗嫦仍鴻M跨這些區(qū)域遷徙。如果發(fā)生在亞洲，那么今天的亞洲人祖先就可能是在后來(lái)遷徙事件中才抵達(dá)亞洲的。與之相關(guān)的謎題，如東亞人中的丹尼索瓦人成分和對(duì)澳大拉西亞人中的丹尼索瓦人成分，是否為同一次混合的結(jié)果也是未知的。
作者介紹：
Rasmus Nielsen, 美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算生物學(xué)教授
Joshua M. Akey，美國(guó)華盛頓大學(xué)基因組學(xué)系教授
Mattias Jakobsson, 瑞典烏普薩拉大學(xué)有機(jī)生物學(xué)系教授
Jonathan K. Pritchard，美國(guó)斯坦福大學(xué)遺傳學(xué)系與生物學(xué)系教授、霍華德·休斯研究員
Sarah Tishkoff，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)遺傳學(xué)系與生物學(xué)系教授
Eske Willerslev，丹麥哥本哈根大學(xué)地質(zhì)遺傳學(xué)中心主任，英國(guó)劍橋大學(xué)動(dòng)物學(xué)系講席教授，英國(guó)威康信托基金會(huì)桑格研究所副研究員
編譯：汪鴻儒，遺傳學(xué)博士，中科院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所古DNA實(shí)驗(yàn)室博士后
審校：王傳超, 人類學(xué)博士, 美國(guó)哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)系、德國(guó)馬普人類歷史科學(xué)研究所博士后
原文標(biāo)題“Tracing the peopling of the world through genomics”，2017年1月19日發(fā)表于《自然》（Nature）雜志?！吨R(shí)分子》獲作者與《自然》授權(quán)編譯。
原文鏈接：http://www.nature.com/nature/journal/v541/n7637/full/nature21347.html
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