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现代人身世之谜:DNA记录人类迁徙路线

(2008-08-20 14:21:04)
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科技

线粒体dna

尼安德特人

柏保

非洲

环球科学

科学美国人

杂谈

分类: 文章选登

撰文 加里·斯蒂克斯(Gary Stix

翻译 高星 吴秀杰

 

2007 年,本·拉登(Osama bin Laden)的兄弟的公司透露,将修建一座大桥,横跨巴布· 厄耳· 曼德海峡(Bab el Mandeb,红海通往印度洋的出口)。如果这项宏伟计划得以实施,通过此桥前往麦加(Mecca,位于沙特阿拉伯西部,是伊斯兰教圣地)朝圣的非洲人,将重温人类历史上最具纪念意义的一次“旅行”:5 万~ 6 万年前,一群非洲人(几百人或几千人)乘坐小舟,冒险横穿曼德海峡,从此再未返回非洲大陆。这群人根本没有想到,他们的这次旅行,彻底改变了这个世界。

 现代人身世之谜:DNA记录人类迁徙路线

 

我们来自何处?为了解答这个千古谜题,科学家不仅在古人类的骨骼化石上寻找证据,还动用了遗传分析技术。从人类的基因组中,科学家或许可以找到这个问题的答案。

 

五六万年前的这群人,为什么要离开位于非洲东部的家乡?确切原因至今仍是一个谜,可能因为气候发生变化,或者曾经丰富的贝壳类食物的数量突然锐减,才迫使他们向其他大陆迁移。不过有一点是肯定的:这批最早离开非洲的早期人类,已具有现代人的体质和行为特征——较大的脑容量和较强的语言交流能力。抵达亚洲大陆后(登陆点是今天的也门),现代人类的先祖们在此后上万年的时间里,继续向其他大陆进发,直至来到位于南美洲最南端的火地岛(Tierra del Fuego),才停下了脚步。

 

对人类的起源,科学家已从人类骨骼化石中有所了解,但祖先们遗留下来的实物太少,很难据此描绘出那段遥远历史的全景图。过去20 年间,人类遗传学家利用DNA 分析法,寻找早期人类迁移的证据,以填补古人类学的空白。

 

对所有人而言, 细胞内的DNA 有99.9%都是相同的,但就是这不同的0.1%,致使个体间的体质特征出现极大的差异。如果比较东非人与美洲土著人的DNA,科学家能从中得到人类世系,以及不同族群在各个大陆间迁徙的重要线索。遗传学家以前认为,只有父亲传递给儿子,或者母亲遗传给孩子的DNA,才具有化石般的研究价值,但最新研究改变了他们的看法,也让他们的关注点,从少部分DNA 片段扩大到整个人类基因组中的数万个核苷酸。

 

通过对人类基因组的研究,科学家提出了一些早期人类的迁移路径,其中一些在最近几个月才发表出来。这些研究进一步证实,现代人类起源于非洲。这也让人们认识到,遗传多样性是如何从非洲大陆发源,并扩散到世界其他地方的。如果把人类世系看作一棵“进化树”,“树根”就是非洲原著民桑人(San people),最新长出的“树枝”则是南美洲的印第安人和太平洋岛上的居民。

 

对人类遗传变异的研究,最早可以追溯到第一次世界大战。当时,两名在希腊塞萨洛尼基工作的医生发现,驻守该城士兵的血型为某种特定血型的概率,与他们的国籍有很大的关系。由于蛋白质差异可以反映相应基因的变化,因此,从上世纪50 年代开始,意大利人类遗传学家路易吉·卢卡·卡瓦利-斯福扎(Luigi Luca Cavalli-Sforza)通过检查血型蛋白来规范不同人群间的遗传差异研究。

 

1987 年,美国加利福尼亚大学伯克利分校的丽贝卡·L·卡恩(Rebecca L. Cann)和艾伦·C·威尔逊(Allan C. Wilson)基于线粒体DNA 的分析结果,发表了一篇震惊世界的论文:两位科学家在论文中指出,由于线粒体DNA 只会由母亲遗传给后代,他们经过研究发现,所有人的祖先都可追踪到一位生活在距今20 万年前的非洲女性身上。全球各大媒体争相报道这一重大发现,并声称现代人类的祖先就是那位“非洲夏娃”(这里说的“夏娃”并非《圣经》中的夏娃,她不是人类历史上的首位女性,而是指现有人类都是她的后代)。

 

分析DNA

线粒体DNA Y 染色体已成为科学家研究人类起源的重要工具,通过比较不同地区的人的DNA,科学家就可以追踪早期人类的迁移路线。

 

 

由于会发生快速、频率可预测的中性突变(对生物体既没好处也没坏处),科学家把线粒体视作“分子钟”。通过计算两个族群间线粒体DNA 突变的次数差(就好比时钟转动时的滴答声),科学家可以构建一棵进化树,追踪到两个族群的共同祖先——“夏娃”或创立了新世系的其他女性。只要比较不同地区的人类世系的存在时间,我们就能获知早期人类向全球迁移的一些关键时间点。

 

1987 年,人类遗传多样性数据库开始扩容,将Y 染色体上的遗传数据也囊括进来。Y 染色体属于性染色体,只会由父亲传给儿子。这条染色体携带的核苷酸数量,远高于线粒体DNA(Y 染色体由数千万核苷酸组成,而线粒体DNA 只有1.6 万个核苷酸),因而研究人员拥有更多的数据来区分不同的人类族群。在分析线粒体和Y 染色体DNA 的过程中,科学家已发现了数百个遗传标记(含有可识别的、仅为某个族群所特有的遗传突变的DNA 位点)。

 

几万年前人类从非洲走向美洲的路径,如今我们可以在地图上进行标记。如果把当时的人类比作旅行者,他们的迁移过程,就像在一系列相互交联的线路上移动,只是速度非常缓慢。在这里,我们利用字母和数字,为这些线路编号,比如I95(相当于DNA 上的遗传标记,因为在某一特定线路上,当地人都拥有共同的遗传标记)。以Y 染色体为例,早期人类通过M168 线路(即遗传标记)穿越曼德海峡后,向北迁移,通过阿拉伯半岛时,M168 就变成了M89。此时,如果右转,向美索不达米亚(即两河流域)进发,遗传标记就变成M9。到达印度兴都库什山脉的北部区域,如果左转就踏上了M45 线路。在西伯利亚,沿着M242 线路一直向前走,就会到达美国阿拉斯加州。如果继续向前,就是M3 线路,通往南美洲。

 

线粒体DNA 和Y 染色体都是强大的分析工具。2005 年, 美国国家地理学会、IBM 和韦特家庭基金会(Waitt Family Foundation)共同出资4,000 万美元,资助了一个庞大的合作研究项目——基因地理计划(Genographic Project)。全球共有10 个研究机构参与了这项研究,他们的目标,是到2010 年,在全球范围内收集10 万人的DNA。这项计划的负责人斯宾塞·威尔斯(Spencer Wells)说:“我们关注的焦点,是早期人类从非洲向外迁移的具体细节。”在最近的一篇报道中,该项目的科学家发现,在遗传上,非洲南部的克瓦桑语族人(Khoisan)在10 万年与其他非洲人还是相互独立的。在该计划的另一项研究中,科学家发现,黎巴嫩人基因库中的一些基因,可以追溯到参加十字军的基督教信徒和阿拉伯半岛的穆斯林信徒。

 

发现证据

近十几年,科学家分析了大量的DNA,为现代人类的“非洲起源说”提供了证据:一小群人从非洲大陆走出,到一个新的地域生活、繁衍后代,后来这群早期人类的一个分支与“母体”脱离,向其他地方迁移……

 

 

遗传学家已在早期人类可能的迁移路径周围,采集了很多人的DNA 样本。不过,有时看起来很“肯定”的数据却带有欺骗性,因此科学家更喜欢能拿在手中观察的化石,而不是人类进化树。放射性同位素能客观地测定化石年代,但DNA 突变的频率却会因为不同的片段而出现波动。

 

古人类学家正处于两难的尴尬境地。古老的人类化石不仅稀少,而且经常是不完整的。根据线粒体DNA 和Y 染色体分析的结果,最早的人类迁移路径是从非洲到澳大利亚,但遗憾的是,在这条线路上,考古学家一直未能发现实物证据。

 

如何摆脱这种两难局面?从更多的地方,采集更多的DNA。为了得到支持遗传分析的证据,科学家开始把目光瞄向与人类相伴而生的生物:细菌、病毒甚至虱子,他们希望能从这些生物的基因中,发现人类迁移的痕迹。此外,人类基因组计划以及其他基因组研究,催生了一批强大的分析工具,能有效弥补现有遗传分析方法的不足。美国加利福尼亚大学戴维斯分校的人类学教授蒂姆·韦弗(Tim Weaver)说:“你能从来源于不同的人、甚至不同族群的基因组中,发现很多不同之处,为一些假说提供强有力的数据支持。”

 

十几年来,科学家通过同步分析分散在基因组中的多个变异位点,得到了很多重大发现。20 世纪末,世界首项全基因组研究主要关注不同族群间的短重复DNA 序列(即微卫星序列,microsatellite)的差异,但最近几年,这项研究的关注范围已扩大不少。今年2 月,两个研究小组分别在《自然》和《科学》上发表文章,报道了迄今为止规模最大的人类遗传多样性分析。他们均分析了50 多万个单核苷酸多态性位点(single nucleotide polymorphisms, 简写为SNPs,是指在DNA 的特定位点上,一个核苷酸与另一个发生交换)。提供DNA 样本的细胞采集自大约1000 人(分别来自全球范围内的51 个族群),目前保存在法国巴黎的人类多样性研究中心。

 

在分析数据时,两个研究小组采用了多种方法:不仅直接比较了不同族群的SNP,还检查了单倍体型(haplotype,含有大量的、在世代间完整遗传的SNP 的 DNA 片段)。在《自然》上发表文章的研究小组,采用了一项新的技术来分析人类遗传变异:比较人类基因组中长达10 万个核苷酸的DNA重复或缺失片段,以发掘更多的遗传变异标记。这篇文章的第一作者,美国密歇根大学安阿伯分校的诺亚·A·罗森伯格(Noah A.Rosenberg)说:“基因组的每个片段都能反映一段历史。尽管从整体来看,每段历史都不能完整体现人类基因组的变化过程,但综合分析成千上万个遗传标记,就有可能完整再现人类迁移的历史。”

 

通过分析大量的SNP,科学家可以确定某个族群的“身份”,也可以弄清楚在遗传上具有亲缘关系的族群是如何扩散的。南美洲土著人的祖先可以追溯到西伯利亚人和某些亚洲人;中国的汉族人分为南方人和北方人;贝都因人(Bedouin,阿拉伯的游牧民族)则与欧洲、巴基斯坦、中东人有着亲缘关系。

 

与人类学家、考古学家、语言学家和生物学家的研究成果一样,上述发现也为现代人类的“非洲起源说”提供了证据:一小群人从非洲大陆走出,到一个新的地域生活、繁衍后代,后来这群早期人类的一个分支与“母体”脱离,向其他地方迁移……这个过程会不断重复,直到形成了今天这样的世界格局。每到一个地方,“迁移者”就会取代当地的古人类,比如尼安德特人(Homo neanderthalensis,也叫穴居人)或直立人(Homo erectus),但很少甚至不会与他们交配、繁殖后代。最新的DNA 研究证明,每个分支与“母体”脱离时,都只会携带一部分遗传多样性,因此迁移路径离非洲越远,遗传多样性就越低。这就是说,根据遗传多样性的变化,科学家可以找出早期人类的迁移路径。土著美洲人是最后一批迁移者,因而他们的遗传多样性要比非洲人低得多。

 

很多科学家都认为,大量统计学数据的出现,似乎可以为关于人类起源的长期争论画上句号。与非洲起源学说相对立的多地区起源学说认为,现代人是直立人等古人类的后裔,在过去180 万年里,这些直立人在非洲、欧洲和亚洲分别进化了现代人。而在不同种群间偶尔发生的交配,避免了某些种群进化成独立的物种。

 

今天,已经很少有科学家仍然坚持严格意义上的多地区起源假说,不过有人提出了这个理论的“改良版本”。最近几年,在美国犹他大学的亨利·C·哈本丁(Henry C.Harpending)和阿兰·A·罗杰斯(Alan R.Rogers)的帮助下,印度理工学院的维纳雅克·埃斯瓦兰(Vinayak Eswaran)提出,早期人类走出非洲后,与其他地区的古人类进行交配、繁殖后代,因此在现代人类的基因组中,80%都受到了这种交配的影响。

 

即使我们的祖先与其他古人类有过交配行为,科学家也未必能观察到由此产生的遗传印记。哈本丁认为,这是因为非洲祖先携带了一些优势基因,它们会参与繁殖过程,赋予人类某种生存优势,而其他古人类基因的作用,被祖先的优势基因屏蔽了。哈本丁说:“表面上看,现代人类与非洲祖先的亲缘关系似乎更近一些,但实际情况并不一定如此。”

 

基因交换

科学家发现,欧洲人的祖先曾与尼安德特人发生过基因交换,这是否意味着,现代欧洲人具有部分尼安德特人血统?

 

认为现代人类可能是非洲祖先与其他古人类共同后代的科学家,并非只有埃斯瓦兰和哈本丁。在一些智人的骨骼化石上,仍然保留着早期人类的某些特征;现代人类的遗传数据似乎也说明,我们的祖先与其他古人类的确有过交配行为 。

 

在人体内,一些基因变异出现的时间,远在20 万年前——但现代人类起源的时间,也不过在10 几万年前。因此,这些古老的变异只可能来自更古老的人类,换句话说,我们的祖先可能与其他古人类交配过。2006年,美国芝加哥大学的布鲁斯·T·拉恩(Bruce T. Lahn)的一项研究在科学界引起了很大的反响:他和同事发现,一个调控大脑容量的小脑症基因(Microcephalin gene)竟含有一个奇怪的单体型——它可能是在4 万年前,尼安德特人与我们的祖先交配时,传递给后代的。

 

这个发现将在6 个月后得到证实。德国马普进化人类学研究所、美国454 生命科学公司共同发起了“尼安德特人基因组计划”,这项计划的目标是,在2008 年年底,完成对尼安德特人基因组(提取自4 万年前的克罗地亚尼安德特人骨骼)70%的测序工作。研究人员估计,相关研究结果将在6 个月后公开发表。

 

到目前为止,在尼安德特人与欧洲人祖先间,科学家并未发现DNA 转移的遗传标记。“尼安德特人基因组计划”的首席科学家,德国马普研究所的斯万特·柏保(Svante Paabo)说:“我们的确没有发现这方面的证据,但目前还不能排除尼安德特人与现代人类祖先有过交配行为的可能性。”前段时间,柏保曾在一篇文章中指出,对100 万个核苷酸进行的分析表明,现代人类祖先的确与其他古人类发生过基因交换。遗憾的是,这一结论并未得到广泛认可,因为柏保用于分析的样品可能被污染了。其他科学家也没有发现拉恩提到的小脑症基因的突变体。

 

古DNA 研究对样本的纯净度要求很高,对标本的触摸乃至近距离呼吸都可能污染样本。一些古人类学家到野外取样时,为实现与样品的隔离,一般要穿着无尘衣——这种服装一般要在计算机芯片工厂才能见到。由于有一次样品被污染的教训,柏保对试验方法做了一些改变。在每一段尼安德特人DNA 的开头处,研究人员都连接了由4 个核苷酸构成的“标签”。在测序前,每段DNA 必须经过“分子身份鉴定”,以防止样本污染。

 

不少研究表明, 尼安德特人与非洲祖先的基因组相似程度高达99.5%。因此,测定他们的DNA 序列,可以为比较基因组学研究提供极具价值的数据,让科学家能在人类基因组中找出尼安德特人与非洲祖先的交配“痕迹”,以及自然选择更“偏爱”哪些特性。柏保说:“如果你对人类进化感兴趣,尼安德特人就是最独特的物种,因为在亲缘关系上,他们离我们是最近的。尽管在技术上有一定的难度,但我们至少能得到尼安德特人的基因组,而对于大部分古人类来说,要得到他们的基因组序列,难比登天。”

 

最新一项研究表明(尚未公开发表),尼安德特人的Y 染色体与现代人类有较大差异。柏保说:“没有人的Y 染色体像尼安德特人的那样。”这一结果与早期的一项研究相呼应:尼安德特人与现代人类的线粒体DNA 也很不相同。不过在2007 年11 月,柏保和同事发现,尼安德特人与现代人也有一个相似之处:都有一个名为FOXP2 的基因。在人体,这个基因与语言发育有关。今年4 月,一篇报道曾指出,FOXP2 基因可能源于现代人祖先与尼安德特人的杂交。不过,这篇报道涉及的研究样品是否受到污染还不得而知。

 

适应环境

基因研究表明,即便是在今天,人类的基因仍在为了适应环境,而不断进行适应性调整。

 

目前,科学家仍在测定提取自早期人类骨骼的DNA 序列,以确定我们的祖先是否与其他古人类有过交配行为。与此同时,另一些科学家利用全基因组分析法分析人类DNA,研究早期人类在迁移并适应新住址的过程中,哪些特性会因为随机突变和自然选择而改变。

 

今年2 月,一个研究小组在《自然》杂志上发表文章指出,早期人类走出非洲,遗传多样性的确有所下降。该小组从20 位欧洲籍美国人以及15 位非洲籍美国人身上提取了DNA 样品,并对比了4 万个SNP。结果发现,与非洲籍美国人相比,欧洲籍美国人携带了更多的有害突变,而这些突变可能与某些疾病直接相关。卡洛斯·D·布斯塔曼特(Carlos D. Bustamante) 在研究欧洲人群时提出的“群体遗传回声”效应,或许可以解释上述现象:最初进入欧洲时,非洲祖先的遗传多样性较低,一些有害突变广泛分布于基因组中,当他们的后代增多,新的有害突变也随之增多,而由于时间相对短促,自然选择未能及时除去这些有害突变。

 

那么,自然选择如何帮助现代人的祖先适应新的居住环境?基因组研究为我们提供了一幅全景图。过去两年,很多研究都在寻找出现于人类离开非洲之后,以及有助于人类适应新的生活环境的基因突变。国际人类基因组单体型图(International HapMap)收录了大量的单体型,并包含了390 万个来自北美人(具有西北欧血统的)、尼日利亚、中国和日本人的SNP,因而在遗传学家眼里,基因组单体型图是一个有待发掘的宝藏。

 

哈本丁参与的一项研究显示,大约在4 万年前,DNA 变化的频率和人类进化的速率突然加快了。由美国布罗德(Broad Institute)研究所的帕迪斯·C·萨贝蒂(Pardis C. Sabeti)领导的一项研究表明,人类基因组上的数百个区域仍在经历自然选择,比如调控抗病能力、皮肤颜色、毛囊发育的区域。这一发现说明,即便在今天,不同地区的人

 

在面对不同的食物、病原体和阳光照射量(或时间)时,仍在进行适应性调整。而且,当环境变化时,非洲人的基因也在改变。

 

最近,法国巴斯德研究所的路易斯·昆塔纳-默齐(Lluis Quintana-Murci)在研究人类基因组单体型图时发现,有580 个基因(包括与糖尿病、肥胖、高血压相关的基因)正在经历不同的自然选择过程。这也许可以解释,为什么某些疾病的发病模式具有地理差异,也可以为新药研发提供新的思路。

 

人类遗传多样性是如何形成的?只研究不同种族的人的毛囊大小和对牛奶的消化能力还不行,科学家还必须要知道,哪些因素构成了种族和民族。如果一个与认知相关的基因广泛存在于欧洲人体内,而只有少部分非洲人具有这样的基因,这说明什么问题?我们不能妄下结论,因为一个单独的基因不能完全决定某种特性,深入理解遗传学机制,也许能避免出现不准确的推测。

 

随着遗传研究日渐深入,以及对不同人类世系的遗传构成的详尽了解,“亚洲人”或“美国人”这样的术语可能被更精确的分类所代替,比如中国的汉族人就分为北方和南方世系。昆塔纳-默齐说:“在我看来,世界上并没有种族之分,只有地域限制。从遗传学来说,不论是欧洲人还是亚洲人,爱尔兰人还是日本人,都没有非常明显的差异。”

 

对人类进化史的回顾,现在仅开了一个头,科学家对数据和功能强大的计算工具的需求似乎没有止境。不过,一个规模庞大的数据库或许可解燃眉之急。今年1 月,一个国际联盟在日本宣布成立,目标是从世界各地的族群中采集DNA 样本,测定1000 个人类基因组序列。这项研究一旦完成,科学家将拥有足够的数据,构建多个人类进化模型,并衡量每个模型的可靠性。持续而深入的研究,最终将完美解答一个古老的问题:我们是谁,来自何方?

 

选自2008年08期《环球科学》

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