毛曉偉，平婉菁，付巧妹

古基因組解密末次盛冰期前后的東亞北部人群動(dòng)態(tài)

毛曉偉，平婉菁，付巧妹

中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所，北京 100044

現(xiàn)代人的起源與演化一直是地球與生命科學(xué)領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。過(guò)去10多年，圍繞世界各地考古遺址人群開(kāi)展的古基因組研究，在舊石器時(shí)代晚期以來(lái)歐洲、北亞等區(qū)域人群的演化問(wèn)題上取得重大進(jìn)展。然而，東亞人群古基因組研究則相對(duì)滯后，尤其是對(duì)中國(guó)人類古基因組的研究極度匱乏，使東亞人群遺傳演化和遷徙融合的歷史成為現(xiàn)代人演化進(jìn)程里的重要“缺環(huán)”。但是，近幾年中國(guó)科學(xué)家在這方面的研究取得了突破性進(jìn)展。

2017年，中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所(簡(jiǎn)稱“中科院古脊椎所”)付巧妹團(tuán)隊(duì)從我國(guó)北京4萬(wàn)年前的田園洞人化石中獲取中國(guó)以至東亞最古老現(xiàn)代人的基因組序列，數(shù)據(jù)分析表明以其為代表的古東亞人群與同時(shí)期某一古歐洲人群存在特殊的遺傳聯(lián)系，首次為探索整個(gè)歐亞大陸人群的遺傳歷史開(kāi)啟東亞篇章[1]。2020年，其團(tuán)隊(duì)首次系統(tǒng)性研究距今5000年青藏高原人群的線粒體基因組揭示青藏高原人群由低海拔向高海拔地區(qū)少量的人群流動(dòng)和之后一段時(shí)間高海拔地區(qū)內(nèi)部的人群擴(kuò)張[2]。同年，其團(tuán)隊(duì)又相繼發(fā)表我國(guó)南方1.1萬(wàn)年前人類古線粒體基因組及東亞自9500年來(lái)南北方人群的大規(guī)模、系統(tǒng)性古基因組研究，表明萬(wàn)年來(lái)東亞南北方人群在內(nèi)頻繁遷徙互動(dòng)、南島語(yǔ)族人群和南方內(nèi)陸古人群的聯(lián)系、向外通過(guò)沿海地帶不斷擴(kuò)散交流的復(fù)雜歷史[3,4]。2021年，其團(tuán)隊(duì)再度針對(duì)我國(guó)北方沿海的山東人群及河南仰韶遺址進(jìn)行規(guī)模性古線粒體基因組研究，揭示其人群自新石器時(shí)代以來(lái)的遺傳連續(xù)性[5,6]。這些研究不僅從時(shí)間和空間上填補(bǔ)了東亞人類古基因組的巨大空缺，揭開(kāi)東亞人群與歐亞其他人群此前未知的遺傳聯(lián)系以及遷徙互動(dòng)在其演化過(guò)程中的重要作用，更為人們解析了東亞北部自4萬(wàn)年前田園洞人至近萬(wàn)年前古北方沿海人群之間長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)年的遺傳歷史斷層。

冰河時(shí)期(距今約7～1.15萬(wàn)年)的氣候變化對(duì)歐洲人群的遷徙和種群大小變化構(gòu)成影響[7]，考古證據(jù)表明其對(duì)亞洲高緯度和高海拔地區(qū)的人群歷史也有類似的影響[8]，但缺少相關(guān)的遺傳學(xué)證據(jù)與針對(duì)性研究。在這一時(shí)期，尤其是末次盛冰期前后的東亞北部人群是否因氣候的劇烈變化而發(fā)生相應(yīng)人群的更替或遷徙交流？東亞人群是否攜有與環(huán)境適應(yīng)性相關(guān)的特有基因？這些都是古基因組研究亟待探索而頗具挑戰(zhàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。

2021年5月27日，雜志在線發(fā)表了中科院古脊椎所付巧妹團(tuán)隊(duì)與云南大學(xué)張虎才研究組(第一作者為中科院古脊椎所毛曉偉副研究員，通訊作者為中科院古脊椎所付巧妹研究員和云南大學(xué)張虎才教授)合作開(kāi)展的東亞北部人群的古基因組研究[9]。在該研究中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)最前沿的古基因組實(shí)驗(yàn)技術(shù)獲取我國(guó)東北地區(qū)黑龍江省距今33,000～3400年的25個(gè)早期人類樣本的古基因組數(shù)據(jù)(其中11例個(gè)體超過(guò)1萬(wàn)年，圖1)，填補(bǔ)東亞北部人群遺傳歷史的相關(guān)時(shí)間斷層，并結(jié)合北京田園洞人基因組數(shù)據(jù)展開(kāi)遺傳演化與群體遺傳學(xué)分析，系統(tǒng)繪制出4萬(wàn)年來(lái)東亞北部人群的群體動(dòng)態(tài)演化圖譜。此外，研究發(fā)現(xiàn)東亞人群特有的環(huán)境適應(yīng)性基因至少在1.9萬(wàn)年前出現(xiàn)，對(duì)此前利用當(dāng)今現(xiàn)代人基因組所估算出的突變時(shí)間予以精確修正，為探究東亞北部人群的適應(yīng)性遺傳變異情況及相關(guān)基因的選擇機(jī)制提供了新的思路和證據(jù)。

圖1 新樣本和已發(fā)表的東亞北方個(gè)體信息地理和時(shí)間分布圖[9]

該研究指出生活在末次盛冰期前、距今約3.3萬(wàn)年的AR33K個(gè)體與距今4萬(wàn)年田園洞人的遺傳成分相似。此前有研究表明同時(shí)期來(lái)自蒙古東北部、距今3.4萬(wàn)年的索爾吉特人(Salkhit)同時(shí)攜有中國(guó)田園洞人和古西伯利亞北方人群“亞納人”(Yana)相關(guān)的祖源成分[10]，而本研究顯示AR33K個(gè)體與同時(shí)期索爾吉特人(Salkhit)不一樣，他不含有“亞納人”(Yana)相關(guān)的遺傳成分，與田園洞人是聚類在一起。這一結(jié)果說(shuō)明在末次盛冰期之前，田園洞人相關(guān)人群在東亞北部廣泛存在；同時(shí)，田園洞人相關(guān)人群在蒙古地區(qū)與亞那人(Yana)相關(guān)人群混合，而此相關(guān)人群在黑龍江地區(qū)存在并保持著連續(xù)性(圖2)。

末次盛冰期約在2.65萬(wàn)年前開(kāi)始，一直持續(xù)到約1.9萬(wàn)年前，這是距現(xiàn)在最近的極寒冷時(shí)期。為進(jìn)一步探究末次盛冰期氣候變化如何影響東亞北部人群，該研究針對(duì)生存在末次盛冰期末期、距今1.9萬(wàn)年的AR19K個(gè)體的古基因組展開(kāi)分析。這是東亞首例末次盛冰期前后的人類基因組，分析表明在末次盛冰期前后(1.9萬(wàn)年)北部發(fā)生了人群特殊變化，即之前廣泛存在的田園洞人相關(guān)人群可能消失，東亞古北方人群此時(shí)已在黑龍江出現(xiàn)。一方面，其數(shù)據(jù)顯示AR19K個(gè)體相較于4萬(wàn)年前田園洞人，他并沒(méi)有與同一地區(qū)的3.3萬(wàn)年前的個(gè)體更近，間接反映了人群的不連續(xù)。另一方面，研究顯示AR19K個(gè)體相比于東亞古南方沿海人群(距今8400～4200年的奇和洞、亮島、溪頭村、曇石山遺址個(gè)體)來(lái)說(shuō)，與東亞古北方沿海人群(距今9500～7700年的扁扁洞、小荊山、小高遺址、博山遺址個(gè)體)的遺傳關(guān)系更近。由此表明，在末次盛冰期即將結(jié)束的時(shí)候，東亞南北方人群的差異就已經(jīng)形成，并且最早的東亞古北方人群(以AR19K個(gè)體為代表的人群)在黑龍江地區(qū)出現(xiàn)。這一結(jié)果將此前研究所發(fā)現(xiàn)的東亞南北方人群遺傳分化的時(shí)間(9500年前[3])向前推進(jìn)了近萬(wàn)年。

末次盛冰期之后，東亞北部人群的流動(dòng)情況又是如何？此前有關(guān)新石器時(shí)代早期黑龍江流域鬼門(mén)洞的狩獵采集人群(來(lái)自俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)、距今7700年的DevilsCave_N個(gè)體)的古基因組研究表明，黑龍江流域人群在距今約8000年以來(lái)存在遺傳連續(xù)性[11,12]，然而距今8000年之前的人群情況尚不可知。本研究通過(guò)獲取末次盛冰期之后、距今8000年之前黑龍江地區(qū)的16例個(gè)體基因組數(shù)據(jù)(距今約1.4～0.9萬(wàn)年)，對(duì)該地區(qū)這段空白的人群遺傳歷史展開(kāi)研究并獲得有價(jià)值的發(fā)現(xiàn)。研究顯示，末次盛冰期后的黑龍江地區(qū)人群相比于其他東亞人群而言，與新石器時(shí)代早期鬼門(mén)洞人群的遺傳成分最為接近。這一結(jié)果表明，黑龍江流域人群的遺傳連續(xù)性可能早在1.4萬(wàn)年前就已經(jīng)開(kāi)始，這比此前假說(shuō)所提出的時(shí)間向前推進(jìn)了6000年。該結(jié)論與黑龍江地區(qū)陶器和玉器最早出現(xiàn)在1.5萬(wàn)年前的考古記錄相符[13]。另外，本研究發(fā)現(xiàn)生活在末次盛冰期后、距今1.4萬(wàn)年前的AR14K個(gè)體與古西伯利亞人群(Ancient Paleo- Siberians)[12]有特殊的遺傳聯(lián)系。古西伯利亞人群是在美洲之外與美洲原住民最相關(guān)的人群，而數(shù)據(jù)顯示AR14K個(gè)體比鬼門(mén)洞人群更符合古西伯利亞人群所混有東亞祖源成分的來(lái)源。

圖2 末次盛冰期前后的東亞北部人群動(dòng)態(tài)示意圖[9]

此外，研究對(duì)東亞北部人群的適應(yīng)性遺傳變異情況展開(kāi)探索。此前有全基因組關(guān)聯(lián)分析表明基因的V370A突變與東亞典型體征如更粗的毛發(fā)、更多的汗腺和鏟形門(mén)齒有關(guān)[14,15]，因此理解該基因突變的自然選擇機(jī)制，對(duì)研究東亞人群的適應(yīng)性變異至關(guān)重要。目前對(duì)該基因的選擇機(jī)制有兩種假說(shuō)：一是在約2萬(wàn)年前的低紫外線環(huán)境中，該選擇增加了母乳中的維生素D含量[16]；二是在約3萬(wàn)年前的溫暖潮濕氣候中，該選擇可調(diào)控體溫調(diào)節(jié)性出汗[17]。此外，相關(guān)研究利用當(dāng)今現(xiàn)代人基因組估算出基因V370A的突變時(shí)間在距今1.14萬(wàn)年(置信區(qū)間在距今4300～43,700年)。然而，本研究通過(guò)對(duì)大規(guī)模的古東亞人群基因組研究，更直接、深入地揭示該基因的出現(xiàn)時(shí)間和可能的選擇機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，

除田園洞人及末次盛冰期之前的AR33K個(gè)體以外，基因的V370A突變出現(xiàn)在包括AR19K在內(nèi)的所有已知的古東亞人群之中。這一結(jié)果表明，基因的V370A突變率在末次盛冰期階段或之后不久的時(shí)間里可能升高，此外也證明了原假說(shuō)二的觀點(diǎn)：3萬(wàn)年前基因的V370A突變?cè)跍嘏睗癍h(huán)境中被選擇的可能性較小。該結(jié)論使得所估算突變基因出現(xiàn)時(shí)間的上限提早并更為精確(圖2)。

隨著古基因組技術(shù)與遺傳學(xué)分析手段的不斷進(jìn)步及國(guó)內(nèi)專業(yè)團(tuán)隊(duì)與考古機(jī)構(gòu)多方、跨學(xué)科合作的大力開(kāi)展，針對(duì)東亞人群的古基因組研究已然迎來(lái)飛速發(fā)展的時(shí)刻。本研究首次在東亞地區(qū)開(kāi)展跨度為4萬(wàn)年的大規(guī)模人類古基因組研究，且首次利用古基因組在適應(yīng)性方面探究東亞人群重要表性特征的演化來(lái)源，揭示東亞北部距今40,000～3400年的的人群動(dòng)態(tài)遺傳歷史，并為進(jìn)一步探索東亞人群與環(huán)境的關(guān)系提供了重要遺傳學(xué)證據(jù)。此外，該合作研究團(tuán)隊(duì)在通過(guò)古基因組技術(shù)與遺傳學(xué)分析手段的深度融合揭秘東亞人群演化方面樹(shù)立新的研究范式，為推進(jìn)跨學(xué)科學(xué)術(shù)生態(tài)的建立提供借鑒和范本。

前沿技術(shù)的探索運(yùn)用，是本研究得以取得重要進(jìn)展與發(fā)現(xiàn)的前提，而在未來(lái)的東亞人群演化研究中亦將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。在古基因組獲取方面，付巧妹團(tuán)隊(duì)通過(guò)延展應(yīng)用或共同創(chuàng)新的古基因組關(guān)鍵技術(shù)，極大擴(kuò)展了古基因組研究樣本的時(shí)間軸線與區(qū)域范圍：如共同開(kāi)發(fā)古核DNA捕獲技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從大量環(huán)境微生物DNA里“釣取”出極其微量的內(nèi)源DNA，使古基因組研究進(jìn)入全基因組時(shí)代；如參與開(kāi)發(fā)的新一代古DNA片段提取技術(shù)，將非冰凍層人類古DNA破譯的時(shí)間推進(jìn)到40萬(wàn)年前；如延展應(yīng)用沉積物古DNA富集與種屬鑒定方法，成功從青藏高原“土”中獲取東亞首例已滅絕古人類DNA等等，成為世界上可實(shí)施操作這些古基因組關(guān)鍵技術(shù)的僅有的幾個(gè)國(guó)際頂尖實(shí)驗(yàn)室之一，為國(guó)內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)獨(dú)立、自主開(kāi)展中國(guó)人群遺傳演化研究提供了技術(shù)保障。在遺傳學(xué)分析手段方面，該研究所運(yùn)用的D統(tǒng)計(jì)量、人群混合結(jié)構(gòu)、古老型人遺傳成分比例等分析，都為挖掘、準(zhǔn)確解讀與深度分析不斷增長(zhǎng)的、更大規(guī)模、海量而復(fù)雜的東亞人類古基因組數(shù)據(jù)提供了方法基礎(chǔ)。東亞有著極其豐富的考古遺存與復(fù)雜的人群歷史，古基因組研究與考古學(xué)、病理學(xué)、微生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等更多學(xué)科的結(jié)合，將為人們從更多維度、更精確、細(xì)節(jié)性地了解東亞人類神秘的過(guò)去——他們的飲食、環(huán)境、遷徙、健康、功能性基因的選擇機(jī)制與適應(yīng)性結(jié)果等打開(kāi)更多新的窗口。

[1] Yang MA, Gao X, Theunert C, Tong H, Aximu-Petri A, Nickel B, Slatkin M, Meyer M, P??bo S, Kelso J, Fu Q. 40,000-year-old individual from Asia provides insight into early population structure in Eurasia., 2017, 27(20): 3202–3208.

[2] Ding M, Wang T, Min-Shan Ko A, Chen H, Wang H, Dong G, Lu H, He W, Wangdue S, Yuan H, He Y,Cai L, Chen Z, Hou G, Zhang D, Zhang Z, Cao P, Dai Q, Feng X, Zhang M, Wang H, Yang MA, Fu Q. Ancient mitogenomes show plateau populations from last 5200 years partially contributed to present-day Tibetans., 2020, 287(1923):20192968.

[3] Yang MA, Fan XC, Sun B, Chen CY, Lang JF, Ko YC, Tsang CH, Chiu Hunglin, Wang TY, Bao QC, Wu XH, Hajdinjak M, Ko AMS, Ding MY, Cao P, Yang RW, Liu F, Nickel B, Dai QY, Feng XT, Zhang LZ, Sun CK, Ning C, Zeng W, Zhao YS, Zhang M, Gao X, Cui YQ, Reich D, Stoneking M, Fu QM. Ancient DNA indicates human population shifts and admixture in northern and southern China., 2020, 369(6501): 282–288.

[4] Bai F, Zhang X, Ji X, Cao P, Feng X, Yang R, Peng M, Pei S, Fu Q. Paleolithic genetic link between Southern China and Mainland Southeast Asia revealed by ancient mitochondrial genomes., 2020, 65(12): 1125–1128.

[5] Liu JC, Zeng W, Sun B, Mao XW, Zhao YS, Wang F, Li ZG, Luan FS, Guo JF, Zhu C, Wang ZM, Wei CM, Zhang M, Cao P, Liu F, Dai QY, Feng XT, Yang RW, Hou WH, Ping WJ, Wu XH, Bennett EA, Liu YC, Fu QM. Maternal genetic structure in ancient Shandong between 9500 and 1800 years ago., 2021, doi: 10.1016/j.scib.2021. 01.029.

[6] Miao B, Liu Y, Gu W, Wei Q, Wu Q, Wang W, Zhang M, Ding M, Wang T, Liu J, Liu F, Cao P, Dai Q, Yang R, Feng X, Ping W, Hou W, Yuan H, Fu Q. Maternal genetic structure of a Neolithic population of the Yangshao culture., doi:10.1016/j.jgg.2021.04.005.

[7] Fu Q, Posth C, Hajdinjak M, Petr M, Mallick S, Fernandes D, Furtw?ngler A, Haak W, Meyer M, Mittnik A, Nickel B, Peltzer A, Rohland N, Slon V, Talamo S, Lazaridis I, Lipson M, Mathieson I, Schiffels S, Skoglund P, Derevianko AP, Drozdov N, Slavinsky V, Tsybankov A, Cremonesi RG, Mallegni F, Gély B, Vacca E, Morales MR, Straus LG, Neugebauer-Maresch C, Teschler-Nicola M, Constantin S, Moldovan OT, Benazzi S, Peresani M, Coppola D, Lari M, Ricci S, Ronchitelli A, Valentin F, Thevenet C, Wehrberger K, Grigorescu D, Rougier H, Crevecoeur I, Flas D, Semal P, Mannino MA, Cupillard C, Bocherens H, Conard NJ, Harvati K, Moiseyev V, Drucker DG, Svoboda J, Richards MP, Caramelli D, Pinhasi R, Kelso J, Patterson N, Krause J, P??bo S, Reich D. The genetic history of Ice Age Europe., 2016, 534(7606): 200–205.

[8] Rybin EP, Khatsenovich AM, Gunchinsuren B, Olsen JW, Zwyns N. The impact of the LGM on the development of the Upper Paleolithic in Mongolia., 2016, 425: 69–87.

[9] Mao X, Zhang H, Qiao S, Liu Y, Chang F, Xie P, Zhang M, Wang T, Li M, Cao P, Yang R, Liu F, Dai Q, Feng X, Ping W, Lei C, Olsen JW, Bennett EA, Fu Q. The deep population history of northern East Asia from the Late Pleistocene to the Holocene., 2021, doi: 10.1016/ j.cell.2021.04.040.

[10] Massilani D, Skov L, Hajdinjak M, Gunchinsuren B, Tseveendorj D, Yi S, Lee J, Nagel S, Nickel B, Devièse T, Tom H, Meyer M, Kelso J, Peter BM, P??bo S. Denisovan ancestry and population history of early East Asians., 2020, 370(6516): 579–583.

[11] Siska V, Jones ER, Jeon S, Bhak Y, Kim HM, Cho YS, Kim H, Lee K, Veselovskaya E, Balueva T, Gallego-Llorente M, Hofreiter M, Bradley DG, Eriksson A, Pinhasi R, Bhak J, Manica A. Genome-wide data from two early Neolithic East Asian individuals dating to 7700 years ago., 2017, 3(2): e1601877.

[12] Sikora M, Pitulko VV, Sousa VC, Allentoft ME, Vinner L, Rasmussen S, Margaryan A, de Barros Damgaard P, de la Fuente C, Renaud G, Yang MA, Fu Q, Dupanloup I, Giampoudakis K, Nogués-Bravo D, Rahbek C, Kroonen G, Peyrot M, McColl H, Vasilyev SV, Veselovskaya E, Gerasimova M, Pavlova EY, Chasnyk VG, Nikolskiy PA, Gromov AV, Khartanovich VI, Moiseyev V, Grebenyuk PS, Fedorchenko AY, Lebedintsev AI, Slobodin SB, Malyarchuk BA, Martiniano R, Meldgaard M, Arppe L, Palo JU, Sundell T, Mannermaa K, Putkonen M, Alexandersen V, Primeau C, Baimukhanov N, Malhi RS, Sj?gren KG, Kristiansen K, Wessman A, Sajantila A, Lahr MM, Durbin R, Nielsen R, Meltzer DJ, Excoffier L, Willerslev E. The population history of northeastern Siberia since the Pleistocene., 2019, 570(7760): 182–188.

[13] Yue JP, Li YQ, Yang SX. Neolithisation in the southern Lesser Khingan Mountains: lithic technologies and ecological adaptation., 2019, 93(371): 1144–1160.

[14] Tan J, Yang Y, Tang K, Sabeti PC, Jin L, Wang S. The adaptive variant EDARV370A is associated with straight hair in East Asians., 2013, 132(10): 1187–1191.

[15] Fujimoto A, Ohashi J, Nishida N, Miyagawa T, Morishita Y, Tsunoda T, Kimura R, Tokunaga K. A replication study confirmed the EDAR gene to be a major contributor to population differentiation regarding head hair thickness in Asia., 2008, 124(2): 179–185.

[16] Hlusko LJ, Carlson JP, Chaplin G, Elias SA, Hoffecker JF, Huffman M, Jablonski NG, Monson TA, O'Rourke DH, Pilloud MA, Scott GR. Environmental selection during the last ice age on the mother-to-infant transmission of vitamin D and fatty acids through breast milk., 2018, 115(19): E4426–E4432.

[17] Kamberov YG, Wang S, Tan J, Gerbault P, Wark A, Tan L, Yang Y, Li S, Tang K, Chen H, Powell A, Itan Y, Fuller D, Lohmueller J, Mao J, Schachar A, Paymer M, Hostetter E, Byrne E, Burnett M, McMahon AP, Thomas MG, Lieberman DE, Jin L, Tabin CJ, Morgan BA, Sabeti PC. Modeling recent human evolution in mice by expression of a selected EDAR variant., 2013, 152(4): 691–702.

URI: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20210528.1013.002.html

2021-05-27

毛曉偉，博士，副研究員，研究方向：群體遺傳、數(shù)量遺傳。E-mail: maoxiaowei@ivpp.ac.cn

平婉菁，碩士，中級(jí)工程師，研究方向：實(shí)驗(yàn)技術(shù)。E-mail: pingwanjing@ivpp.ac.cn

毛曉偉和平婉菁并列第一作者。

付巧妹，博士，研究員，研究方向: 演化遺傳、群體遺傳。E-mail: fuqiaomei@ivpp.ac.cn

10.16288/j.yczz.21-187

2021-05-28 16:32:40