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没有骨头,也有办法检测出古人类的DNA?

►文章的第一作者Viviane Slon在处理沉积物样本,以便提取DNA。Credit:Sylvio Tüpke/马普演化人类学研究所
 
撰文 | 陈晓雪
责编 | 李晓明
 
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从6万年前的尼安德特人到3万年前的早期现代人类,到6500年前比利时最后一批采集狩猎者,再到5900年前比利时最早的农民,不同时代的多个人群都曾在同一个洞穴居住。
 
这是位于比利时东部的列日省(Liège),一处叫做Trou Al’Wesse的洞穴遗址。
 
有趣的是,在尼安德特人生活的地层,考古学家们并没有发现任何尼安德特人的骨骼,尼安德特人标志性的石制工具是他们判断尼安德特人曾在此生活的主要依据。尼安德特人是一个曾经遍布欧洲的人群,大约在4万年前灭绝,并与现代人类发生过混血。
 
最近,德国马普演化人类学研究所Viviane Slon和其同事表示,他们从Trou Al’Wesse洞穴的沉积物中提取出了尼安德特人的DNA,从分子生物学的角度再次佐证了尼安德特人曾在此生活,而这些沉积物所在的地层就是此前被认为有尼安德特人存在的地层。
 
除了Trou Al’Wesse洞穴,研究人员还对分布在比利时、法国、西班牙、克罗地亚、俄罗斯等国家的6处古人类遗址的沉积物样本进行了分析。这些样本共计85份,时间跨度为1.4万年前到55万年前。结果发现,有4个遗址的泥土样本存在尼安德特人的DNA,而丹尼索瓦洞——一个位于西伯利亚南部的阿尔泰山、被认为是丹尼索瓦人生存过的洞穴——的泥土样本中也鉴定出了丹尼索瓦人的DNA。
 
“即使考古现场没有骨骼遗存,也有可能通过这一方法检测到人类群体的存在”,研究人员在论文中写道。4月28日上线的《科学》(Science)刊登了这一研究。
 
“一个巨大的突破” 
 
一直以来,人类演化的研究,无论是考古学家做形态学分析,还是古遗传学家分析古人类的DNA,都离不开古人类的骨骼本身。但是,受限于久远的年代、恶劣的储存条件,发掘到人类的骨骼并不是一件容易的事。而且,很多时候,考古学家并不愿意与古人类遗传学家分享这些珍贵的骨头,尽管提取古DNA需要的样本量并不大——根据美国公共广播电台的报道,根据现有的技术,提取古DNA需要的骨骼样本量不到0.001盎司(大约28.4毫克)。
 
“这是一个巨大的突破”,在《科学》杂志的一则新闻报道中,英国伦敦自然历史博物馆的人类学家Chris Stringer评论说,考古人员现在可以将检测沉积物中的人类DNA作为一项常规工作了。
 
在这一报道中,德国马普演化人类学研究所所长Svante Pääbo进一步补充说,“我认为这项技术将成为考古学研究的一个标准工具,或许就像当年的放射性碳元素定年法一样。”Svante是最早利用分子生物学研究古人类的开拓者之一,擅长开发新的方法和技术研究古人类,他也是这一研究的作者之一。
 
►Svante Pääbo展示从法国一个遗址采集沉积物样本的位置。Credit:Christian Perrenoud
 
古DNA可以在永久冻土和温带洞穴的沉积物保存很长时间,科学家们早在14年前就报告了这一发现。2003年,丹麦哥本哈根大学的进化遗传学家Eske Willerslev和同事发现,通过对西伯利亚的永久冻土和新西兰洞穴的沉积物做遗传学分析,得到了多种植物以及已经灭绝的猛犸象、古马、野牛、恐鸟的DNA。不过,他们当时使用是聚合酶链式反应技术(PCR),只能扩增特定的单个的DNA片段,得到的DNA片段的长度并不足以分辨出它们是古人类的DNA还是处理样本时带来的现代人DNA污染。
 
随着高通量测序以及DNA杂交捕获等技术的发展,Matthias Meyer和同事终于从沉积物中提取并鉴定出古人类的DNA。
 
几个关键点 
 
 Matthias是马普演化人类学研究所的研究员,该研究的通讯作者之一。与Svante一样,他也擅长开发研究古人类演化的技术,曾在2008年开发了一种高效的提取古DNA的方法,从丹尼索瓦洞发现的一小段手指骨中得到了足够高质量的DNA,并通过分析其线粒体DNA序列确认了一个新的古人群——丹尼索瓦人。
 
Matthias介绍,将沉积物研磨之后,他们从大约50毫升的沉积物中提取出了DNA,然后将所有的DNA片段转为“DNA文库”,这样就可以扩增、测序所有的DNA片段。
 
根据DNA在细胞中位置的不同,人类和哺乳动物的DNA可以分为线粒体DNA与核DNA。“我们不会直接测序这些DNA片段,”Matthias强调,“而是先将疑似人类和其他哺乳动物线粒体DNA的片段‘钓取’出来。” 这里所说的“钓取”,就是富集DNA的过程。以“钓取”古人类DNA为例,研究人员先设计一条与现代人类相同的DNA单链的片段,将其作为“诱饵”模板,与DNA文库中的DNA片段混合,这样能够与模板上的碱基配对的DNA片段就被“钓”了出来。
 
那么,为什么研究人员钓取的是线粒体DNA,而不是核DNA呢?“因为线粒体DNA演化的速度非常快,比核染色体的DNA片段呈现出的信息更多,这使得它更容易确定这些DNA片段属于哪个物种。”Matthias告诉《知识分子》。
 
接下来,Matthias和同事将测序得到的所有序列与已知的哺乳动物的线粒体DNA序列做比较,并根据哺乳动物的科(family)把它们区分开。最后,“进一步分析每个科的序列,并确定它们属于哪些物种”,Matthias说。
 
Matthias介绍,这一过程需要大约两周实验室的工作,“但是80个样本可以并行分析,因为很多步骤已经实现了自动化”。
 
扩大了研究过人类的可能性 
 
虽然此次研究检测到的都是已知人群,比如尼安德特人和丹尼索瓦人的线粒体DNA,但是“通过沉积物确定未知人群也是有可能的”,Matthias表示,“挑战在于如何给他们一张‘脸’,因为如果这个人群没有骨骼的遗骸,我们也就不知道他们长什么样。当然,“如果同一层有工具或其他人工制品,我们至少可以知道他们使用什么样的技术”,Matthias说。
 
去年9月,在中科院古脊椎动物与古人类研究所举行的一个学术交流会议上,Svante向在场的国内外学术结构的30余位来自遗传学、考古学、人类学和古环境学领域的专家简要介绍了这一技术,提到他们已经可以实现通过沉积物了解到古人类DNA的存在。
 
目前,中国大部分古人类遗址都未做过古DNA的检测实验。“现在检测到的DNA也不多,而且虽然有很多遗址点,(古人类骨骼)化石并不多,” 中科院古脊椎动物与古人类研究所研究员、古DNA实验室主任付巧妹说,“这一方法扩大了我们研究古人类的可能性”。2013年,付巧妹和同事从生活在4万年前的北京田园洞人的残骸样本中获得第21号染色体的DNA和线粒体DNA,发现田园洞人与亚洲的现代人类更加接近。
 
考古遗址沉积物的DNA分析也是付巧妹团队最近在考虑的一种方法。今年3月,中科院古脊椎动物与古人类研究所研究员吴秀杰和同事发现,10.5万-12.5万年前生活在河南许昌灵井镇的许昌人,头骨形态既有尼安德特人的特点又有东亚直立人的特点。
 
许昌人的真实身份到底是什么?在接受国内媒体采访时,吴秀杰曾表示,许昌人可能现代华北人的祖先。不过,也有学者表示许昌人很可能就是丹尼索瓦人。付巧妹说,她和同事已经尝试从许昌人遗址中三个疑似人类的骨骼残片中提取古人类的DNA,但没有成功。目前,她的实验室正在尝试分析许昌人遗址中的哺乳动物骨骼以及沉积物,看到底能不能找到古人类的DNA。
 
感谢德国马普人类历史科学研究所博士后王传超博士对文章提出的修改意见。
 
参考文献:
Slon, Viviane, et al. "Neanderthal and Denisovan DNA from Pleistocene sediments." Science 356.6338 (2017): 605-608.
Meyer, Matthias, et al. "Nuclear DNA sequences from the Middle Pleistocene Sima de los Huesos hominins." Nature 531.7595 (2016): 504-507.
Wade, Lizzie. "DNA from cave soil reveals ancient human occupants."Science, 356.6336(2017): 363-363."
Palca, Joe. “Dust To Dust: Scientists Find DNA Of Human Ancestors In Cave Floor Dirt.” NPR(2017),http://www.npr.org/sections/health-shots/2017/01/04/507543208/dust-to-dust-scientists-find-dna-of-human-ancestors-in-cave-floor-dirt
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