不用观落阴,DNA带你重回人类大历史现场 ——古代DNA追追追(上)

 

生命逝去,但DNA 还在

DNA 是生物代代相传的遗传物质,借由定序、比较 DNA 序列,遗传学家能够获取大笔讯息。绝大多数 DNA 研究的样本来自活跳跳的生物,可是古代 DNA(ancient DNA),却是由死去多时的遗骸,甚至是几万、几十万年前的化石或沉积物中,取得研究材料。

古代 DNA 是近来发展最迅速,取得成果最丰富的学术领域之一。如帕波(Svante Pääbo)所言:「除了非常聪明的人之外,重大突破几乎都伴随重大的科技进展。」古代 DNA 的研究历史,本身就是一部科技发展史。

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帕波在 1980 年代初期,是瑞典一位钻研免疫学的博士学生,在学习当年最先进的分子生物学之余,仍保有对神秘古埃及的热爱,于是异想天开的试图结合两者——取得埃及木乃伊的 DNA,没想到还真的让他成功了。他把成果正式发表后,成为史上最早研究人类古代 DNA 的论文,随后帕波正式转行,开创了古代 DNA 此一全新学门。[1]

从 1985 年到现在,30 多年来,生物学研究的方法不断进步。帕波 1985 年发表论文时,PCR 仍尚未发明,要靠培养细菌大量复制 DNA;接下来有了 PCR,让实验方便、加速许多,帕波也靠着 PCR,率先取得尼安德塔人的粒线体 DNA。[2]

非常聪明的帕波。

从 PCR 到次世代定序

PCR 的全名是聚合酶连锁反应(polymerase chain reaction),无疑是划时代的伟大发明,只要针对特定目标设计引子,就能抓到 DNA 片段,大量复制,接着加以定序,造福无数生物研究者。然而,即使证实可以用 PCR 取得古代 DNA,它一次只能定序几百个核苷酸,要重现多达 30 亿个核苷酸,如尼安德塔人基因组这般的庞然大物,PCR 实在力有未逮。

假如每次几百、几百的定序,30 亿数量虽大,精卫填海也不是不可能。问题是,古代 DNA 的样本来源有限,假如想定序古埃及法老图坦卡门的基因组,只能从他的木乃伊取样,可是 DNA 定序会摧毁样本,难道为了得知图坦卡门的基因组,要将如此珍贵的古文物毁灭吗?

图坦卡门黄金面具。

至于尼安德塔人的遗骸,尽管不能说少,却也是几万年前的宝贵化石,限量是很残酷的。何况生物去世后,DNA 就会开始分解、破坏,所以很多古代样本中,其实早已没有 DNA 留存。另一方面,古代样本被现代 DNA 污染的问题,PCR 也不太容易处理。

要是没有次世代定序(next generation sequencing,简称 NGS),不可能发展基因体学,也不会有如此丰收的古代 DNA 研究成果。次世代定序大致上,会将样本内的 DNA 断成小段,然后将符合标准的一网打尽,通通定序,再拼凑回完整的基因组。对于古代 DNA 而言,由于其年久失修,本来就会断成小片段,因此十分适合次世代定序。

修改自:Ryan Somma

帕波为了取得尼安德塔基因组,引进当时最先进的次世代定序技术,顺利克服古代 DNA 样本稀缺,以及容易污染两大问题,终于在 2010 年,发表了第一个尼安德塔人的基因组。[3]

没有古代 DNA,你不可能会知道的人类大历史

尼安德塔人于约 4 万年前消失之前,大部份住在欧洲,至少延续 40 万年之久。他们与智人的祖先有过混血吗?尼安德塔基因组告诉我们,不但欧洲人有,而且非洲以外的人通通都有!

不只如此,2010 年除了尼安德塔人以外,帕波战队还发表另一个古代基因组:来自西伯利亚南方的丹尼索瓦洞穴,样本是一位小萝莉的一块小指骨头,根本看不出型态,可是其中却蕴藏着她极为完整的基因组。令人大惊的是,她不是智人,也不是尼安德塔人,是一种没见过的全新古人类,因此以其发现地点,被称为丹尼索瓦人。

尼安德塔人、丹尼索瓦人、智人,与胡瑟裂谷人四者,细胞核 DNA 间的亲缘关系,与估计的分化年代。

过往所有古人类,像是直立人、北京人、澎湖原人,都是先找到化石,再描述型态,最后定义是什么人;丹尼索瓦人却是史上第一个,以 DNA 得知、定义的全新型号(不过没有正式命名新种)。这反映古代 DNA 这门领域已经成熟,果然之后几年,新发现源源不绝。

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后来又有一位住在丹尼索瓦洞穴的尼安德塔人,其基因组被完整定序 [4];而克罗埃西亚的文迪亚洞穴,此一提供过第一版尼安德塔基因组的遗址,也再度贡献另一个高品质尼安德塔基因组 [5]。比较古人类的 DNA 序列,让我们建构出大家的遗传史:尼安德塔人与丹尼索瓦人比较亲近,两者于 40 多万年前分家;而智人与他们的共同祖先,生活在 55 到 77 万年前。

文迪亚与丹尼索瓦洞穴的位置。

智人,重新定义

除了分家的年代以外,多次上演的遗传交流也让人感到有趣。如今非洲族群以外,每个人的基因组都有约 2% 源自尼安德塔人(以及丹尼索瓦人),表示我们的祖先曾经与尼安德塔人发生关系,融入过他们的遗传物质。然而这样的状况显然不只发生过一两次,目前看来不同的人类族群间,曾经多次发生类似的情欲流动;而我们已知的,仍然十分有限。

已知的古人类间情欲流动事件。

假如我们与尼安德塔人、丹尼索瓦人是不同物种,那么彼此之间能够混血,似乎动摇了传统「生物种(biological species)」的定义:「同一种生物,能够一起生育具备继续生殖能力的后代,不同种之间不行」。值得重视的是,近年来基因体学普及后,发现所谓的「跨物种遗传交流」并非特例,这些新的资讯有什么意义,我们对生命世界的认知该如何改变,都需要新的想法,有关议题仍在发展。

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另一方面,几万年前发生的远古混血,对于智人各族群历年来的演化,甚至时至几万年后的今日,仍在许多方面影响着现代人。最有名的例子,莫过于青藏高原的族群,配备源自丹尼索瓦人的基因 EPAS1,有助其适应高海拔。另外像是肤色、发色、心理状态、免疫反应等等特征,已经灭亡几万年的古人类,遗留的遗传讯息仍持续发挥实质影响力 [6]。相关研究方兴未艾,而这些事情,假如没有古代 DNA、古代基因组,都不可能得知。

古代 DNA,就像冻结在时空中的切片一般,让我们能够重回特定的历史现场。除了灭绝多时的尼安德塔人、丹尼索瓦人,更多古代 DNA 的研究对象,其实是我们智人自己。

To Be Continued……

参考文献:

  1. Pääbo, S. (1985). Molecular cloning of ancient Egyptian mummy DNA. nature, 314(6012), 644-645.
  2. Krings, M., Stone, A., Schmitz, R. W., Krainitzki, H., Stoneking, M., & Pääbo, S. (1997). Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell, 90(1), 19-30.
  3. Green, R. E., Krause, J., Briggs, A. W., Maricic, T., Stenzel, U., Kircher, M., … & Hansen, N. F. (2010). A draft sequence of the Neandertal genome. Science, 328(5979), 710-722.
  4. Prüfer, K., Racimo, F., Patterson, N., Jay, F., Sankararaman, S., Sawyer, S., … & Li, H. (2014). The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains. Nature, 505(7481), 43-49.
  5. Prüfer, K., de Filippo, C., Grote, S., Mafessoni, F., Korlević, P., Hajdinjak, M., … & Reher, D. (2017). A high-coverage Neandertal genome from Vindija Cave in Croatia. Science, eaao1887.
  6. Dannemann, M., & Kelso, J. (2017). The Contribution of Neanderthals to Phenotypic Variation in Modern Humans. The American Journal of Human Genetics, 101(4), 578-589.

本文亦刊载于作者部落格暨其。

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