沈曲 王傳超

2022年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予瑞典科學(xué)家斯萬特·帕博（Svante P？？bo），以表彰他在已滅絕古人類基因組和人類演化領(lǐng)域中的貢獻(xiàn)。自20世紀(jì)80年代以來，帕博就致力于從遺傳學(xué)角度探索人類演化歷史。從發(fā)表已滅絕的古人類尼安德特人的全基因組草圖，到通過古DNA發(fā)現(xiàn)從未被識(shí)別的已滅絕古人類——丹尼索瓦人，帕博從古人類遺骸中提取DNA并測(cè)序，為理解古人類關(guān)系提供了一種比形態(tài)學(xué)更準(zhǔn)確有效的方法，突破了以往對(duì)人類演化史的認(rèn)知，通過比較現(xiàn)代人與已滅絕古人類的基因差異和聯(lián)系，揭示“我們與已滅絕古人類有什么關(guān)系”，創(chuàng)造性地回答了“我們因何為人”這個(gè)看似天方夜譚的命題，也將現(xiàn)代人類的“晚近非洲起源說”修正為“晚近非洲起源且附帶雜交說”。經(jīng)過30多年的努力，帕博開創(chuàng)的學(xué)科——古基因組學(xué)已有了成熟化、標(biāo)準(zhǔn)化的研究體系，并逐漸成為一個(gè)應(yīng)用廣泛、極有發(fā)展前景的領(lǐng)域。

從木乃伊到尼安德特人

帕博1955年出生于瑞典，其父母都是科學(xué)家，母親卡琳·帕博（Karin P？？bo）是一名愛沙尼亞化學(xué)家，父親蘇恩·伯格斯特龍（Sune Bergstr？m）是瑞典著名生物化學(xué)家，曾于1982年獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。帕博在斯德哥爾摩長(zhǎng)大，他回憶童年時(shí)常與伙伴們?cè)谏掷锿妗笆鲿r(shí)代”游戲、收集上千的陶器碎片。母親曾三次帶他去埃及旅行，同所有孩子一般，帕博被木乃伊和金字塔深深吸引。

兒時(shí)經(jīng)歷讓帕博自小就對(duì)埃及學(xué)、考古學(xué)等深深著迷，他甚至在本科階段選擇埃及學(xué)作為專業(yè)。在烏普薩拉大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間，帕博主修腺病毒，但又忍不住涉獵老本行埃及學(xué)。他曾在回憶錄中寫道：“我對(duì)古埃及的浪漫迷戀揮之不去”。當(dāng)時(shí)，分子克隆技術(shù)興起，帕博通過閱讀文獻(xiàn)了解到當(dāng)時(shí)還無人嘗試從古人類遺骸中提取DNA，思緒飄回漫天黃沙的古埃及，他知道埃及博物館中保存有數(shù)以千計(jì)的木乃伊。帕博找到可做實(shí)驗(yàn)的木乃伊樣本后，便利用課余時(shí)間嘗試從中提取DNA。將分子克隆技術(shù)運(yùn)用于木乃伊，是令人耳目一新的嘗試，其面臨的最大挑戰(zhàn)是，仍不清楚歷經(jīng)千年的人類遺骸中是否還有DNA的存在。強(qiáng)烈的探索熱情驅(qū)使他深入研究，他也真的在一具2400年前木乃伊的組織上看到了細(xì)胞核發(fā)出的標(biāo)記熒光，這說明木乃伊中有DNA存在。最終，他撰寫的從木乃伊中成功提取DNA的論文于1985年在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表[1]。這項(xiàng)研究證明古人遺骸中仍有DNA存在，并且這些DNA片段可以被克隆和測(cè)序。這個(gè)成功的開端激勵(lì)了帕博，他想做的不僅是獲取木乃伊的DNA序列，更重要的是，他想借此研究古埃及人群的遺傳歷史，這是一段空白。但當(dāng)時(shí)由于技術(shù)限制，現(xiàn)代人DNA污染問題難以解決，對(duì)結(jié)果的真實(shí)性有著較大干擾，帕博沒能繼續(xù)這項(xiàng)研究。

但從木乃伊生發(fā)的由古DNA研究族群歷史的想法并未中斷，反而生根發(fā)芽，被帕博運(yùn)用在對(duì)已滅絕古生物的研究中。1987年，帕博進(jìn)入加州大學(xué)伯克利分校艾倫·威爾遜（Allan Wilson）實(shí)驗(yàn)室做博士后，應(yīng)用新興的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)，從事已滅絕動(dòng)物的基因研究，在樹獺、洞熊、恐鳥、猛犸象等物種的研究上取得一系列成果。帕博表示，在威爾遜實(shí)驗(yàn)室他才得以真正地研究開發(fā)古DNA技術(shù)，但通過古DNA研究人類歷史演進(jìn)一直是其心系多年的夢(mèng)想。1990年，帕博回到歐洲，成為慕尼黑大學(xué)教授，又于1997年在德國(guó)萊比錫成立馬克斯·普朗克進(jìn)化人類學(xué)研究所，他的研究對(duì)象也重新回到古人，這一次他把目光聚焦到現(xiàn)代人已滅絕的旁系親屬——尼安德特人（簡(jiǎn)稱尼人）。同年，帕博等從德國(guó)的尼人化石中成功提取線粒體高變區(qū)HVRI的379堿基對(duì)的DNA片段，通過嚴(yán)格的對(duì)照組實(shí)驗(yàn)證實(shí)了內(nèi)源性DNA的真實(shí)存在[2]。帕博將其與現(xiàn)代人的序列比較后，發(fā)現(xiàn)尼人十分特殊，他們的線粒體DNA序列在現(xiàn)代人的變異范圍之外，這表明尼人在滅絕前并未向現(xiàn)代人貢獻(xiàn)線粒體。但此結(jié)果只是基于個(gè)體的線粒體序列，并不排除尼人為現(xiàn)代人貢獻(xiàn)其他DNA的可能性。

對(duì)尼人的研究并未止步于線粒體。隨著二代測(cè)序技術(shù)出現(xiàn)、人類基因組計(jì)劃工作草圖的發(fā)表，帕博等于2010年發(fā)表了來自3個(gè)尼人個(gè)體超過40億個(gè)核苷酸的尼人全基因組草圖，證明其曾與現(xiàn)代人發(fā)生過基因交流[3]。長(zhǎng)久以來有關(guān)現(xiàn)代人是否與尼人雜交的爭(zhēng)論，因遺傳學(xué)證據(jù)而畫上了圓滿句號(hào)。該研究中，帕博及其團(tuán)隊(duì)將尼人基因組與來自世界不同地區(qū)的5個(gè)現(xiàn)代人進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)相比于現(xiàn)代撒哈拉以南的非洲人，尼人與歐亞大陸現(xiàn)代人共享更多遺傳突變，這表明與非洲人群分離后，現(xiàn)代人在歐亞大陸與尼人發(fā)生混血，非洲以外現(xiàn)代人約有1%～4%的基因源自尼人。帕博團(tuán)隊(duì)還識(shí)別出現(xiàn)代人的祖先基因組里與新陳代謝、認(rèn)知能力和骨骼發(fā)育等相關(guān)的一些遺傳片段受到正向選擇的影響，這也為回答“我們?nèi)绾纬蔀槲覀儭贝蜷_了一個(gè)新的窗口。

從木乃伊起步，到解密尼人DNA密碼，帕博持續(xù)點(diǎn)燃世界的想象力，直到又一次扔下“重磅炸彈”——發(fā)現(xiàn)另一種對(duì)現(xiàn)代人有基因貢獻(xiàn)的已滅絕古人類。2010年，帕博率團(tuán)隊(duì)從阿爾泰山丹尼索瓦山洞發(fā)現(xiàn)的一節(jié)指骨化石中提取到線粒體DNA并測(cè)序，發(fā)現(xiàn)這是一種迄今未知的古老人類，雖然這一未知古人類與現(xiàn)代人及尼人擁有共同祖先，但相比于尼人與現(xiàn)代人之間約200個(gè)核苷酸的差異，這種古人類與現(xiàn)代人之間的核苷酸差異則近400個(gè)，或表明現(xiàn)代人與他們共祖的時(shí)間約為與尼人的2倍[4]。同年，帕博團(tuán)隊(duì)與戴維·賴克（David Reich）團(tuán)隊(duì)合作再對(duì)這塊指骨的核基因組進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)他與尼人親緣關(guān)系更近，互為姐妹群，他們的共同祖先與現(xiàn)代人祖先分離后，兩者再相互分離[5]。該研究還發(fā)現(xiàn)該人群為美拉尼西亞人群貢獻(xiàn)了約4.8%的基因。至此，這個(gè)新的人群根據(jù)發(fā)現(xiàn)地點(diǎn)被正式命名為“丹尼索瓦人”（簡(jiǎn)稱丹人），他們可能于晚更新世時(shí)期在亞洲廣泛存在。這也是第一例由DNA確認(rèn)的古人類。后期，帕博等又發(fā)表了更高覆蓋度的丹人核基因組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其與尼人也曾發(fā)生過基因交流，并進(jìn)一步探索了其與尼人及現(xiàn)代人之間的關(guān)系[6，7]。

站在巨人肩膀上向前一步

帕博的研究取古人類學(xué)、遺傳學(xué)所長(zhǎng)，他細(xì)致地觀察牙齒、骨骼、皮膚組織甚至糞便，逐一攻克多種生物的基因密碼。帕博在古基因組學(xué)上的斐然成就有他個(gè)人的努力，同時(shí)也離不開先驅(qū)們?cè)谙嚓P(guān)理論及技術(shù)上的杰出貢獻(xiàn)，帕博是站在巨人肩膀上開啟新征程。帕博的導(dǎo)師威爾遜率先把PCR和DNA測(cè)序引入生物演化研究，是重建生物譜系的先驅(qū)和開拓者。但威爾遜的研究，如解密現(xiàn)代人起源的DNA密碼、探索疾病與基因調(diào)控的關(guān)系等，仍處于橫向比較的“二維角度”。而帕博則從古人DNA角度切入，為人類生物譜系研究引入時(shí)間維度，使其發(fā)展為“三維”，從此可觀察人類DNA在時(shí)間尺度上的發(fā)展演化，以及相關(guān)疾病的遺傳歷史。

古DNA相關(guān)研究的開展還依托技術(shù)的進(jìn)步。古DNA技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷三次革命。分子克隆技術(shù)推動(dòng)古DNA研究的起步，這是第一次技術(shù)革命，該技術(shù)將古DNA在宿主菌中增殖后進(jìn)行測(cè)序。但由于該技術(shù)所需DNA量較大而古人遺骸中的含量極少且損傷嚴(yán)重，導(dǎo)致實(shí)際克隆效率很低。

1983年，PCR技術(shù)出現(xiàn)，使得通過少量模板就可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)古DNA的大量擴(kuò)增，這是第二次技術(shù)變革。1988年，帕博率先將PCR技術(shù)應(yīng)用到古人類DNA研究中，對(duì)來自7000年前古人的線粒體DNA片段擴(kuò)增并測(cè)序，發(fā)現(xiàn)了美洲原住民中未知的線粒體譜系。這一時(shí)期的研究開始基于古代樣本的線粒體DNA，但PCR技術(shù)對(duì)核基因組的處理卻不盡人意。

古DNA技術(shù)的第三次革命伴隨二代測(cè)序技術(shù)而來，它不再是通過毛細(xì)管電泳測(cè)序，而是在序列合成過程中邊合成邊測(cè)序，突破了以往基于PCR擴(kuò)增和毛細(xì)管電泳測(cè)序的低通量的技術(shù)瓶頸，為古DNA研究開辟了新賽道。帕博帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)不斷對(duì)擴(kuò)增和測(cè)序技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并運(yùn)用在新的研究中，實(shí)現(xiàn)突破。2009年，他們開創(chuàng)了適用于捕獲短片段的引物延伸捕獲法（PEC），運(yùn)用該方法重建了5個(gè)尼人線粒體DNA序列，發(fā)現(xiàn)晚期尼人的線粒體DNA的遺傳多態(tài)性是現(xiàn)代人的1/4。已滅絕古人類丹人，也是帕博攜團(tuán)隊(duì)通過此方法率先識(shí)別出來的。但PEC法在獲取較大目標(biāo)片段時(shí)存在一定缺陷，帕博等又將芯片捕獲外顯子方法（AHC）應(yīng)用于古DNA研究，再次突破技術(shù)瓶頸，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代人與尼人分離后產(chǎn)生的88個(gè)替代氨基酸，為基因進(jìn)化、多樣性等研究提供重要啟示。正是基于前述技術(shù)進(jìn)步和優(yōu)化，2010年帕博得以重建尼人全基因組草圖，并宣布現(xiàn)代人與尼人有過基因交流這一重磅消息。

人類古DNA研究中無法避開的另一重要問題是現(xiàn)代人DNA污染。當(dāng)年帕博克隆木乃伊DNA時(shí)，最大的困難就在于無法鑒別其真實(shí)性。在漫長(zhǎng)的時(shí)間中，水解、氧化等作用導(dǎo)致古DNA降解嚴(yán)重。帕博發(fā)現(xiàn)脫嘌呤與古DNA降解有關(guān)，且古DNA的尿嘧啶由胞嘧啶脫氨基作用誘導(dǎo)并隨著時(shí)間推移而積累，錯(cuò)誤編碼的胞嘧啶殘基引起的替換在DNA序列中的比例極高，并在分子末端大量聚集，而其他替換則很少見。結(jié)合高通量測(cè)序技術(shù)，帕博建立了評(píng)估模型，可幫助確認(rèn)外源污染率，這是古基因組數(shù)據(jù)分析前的重要質(zhì)控步驟。例如，在發(fā)布第一個(gè)尼人基因組草圖時(shí)，帕博就使用了分別針對(duì)線粒體DNA、Y染色體和核DNA的三種方法來評(píng)估現(xiàn)代人DNA污染水平，證明數(shù)據(jù)代表真正的尼人DNA序列。

另外，帕博還建立超凈實(shí)驗(yàn)室，規(guī)范古DNA實(shí)驗(yàn)流程。實(shí)驗(yàn)室通常分多個(gè)獨(dú)立房間，供特定的實(shí)驗(yàn)步驟使用，以防止交叉污染；實(shí)驗(yàn)室裝有空氣過濾等系統(tǒng)，所有設(shè)備須經(jīng)嚴(yán)格消毒處理，且每日使用紫外燈照射；實(shí)驗(yàn)人員必須穿戴好全身防護(hù)裝備等。時(shí)至今日，他所設(shè)立的標(biāo)準(zhǔn)在全球古DNA實(shí)驗(yàn)室實(shí)行。在帕博的努力下，古基因組學(xué)已形成一套標(biāo)準(zhǔn)化研究體系。

建立人類古DNA地圖集

古DNA研究帶著時(shí)間刻度再現(xiàn)人類幾十萬年的演化與適應(yīng)，不單重現(xiàn)已滅絕古人類，還讓我們看到古人類在現(xiàn)代人身上留下且持續(xù)發(fā)生影響的痕跡?，F(xiàn)代人一些重要功能基因單倍型很可能來自已滅絕的古人類。一些基因差異的功能也被深入解析，其目的都是解釋什么使我們成為獨(dú)一無二的人類，如與人類語言系統(tǒng)相關(guān)的FOXP2基因包含氨基酸編碼和核苷酸多態(tài)性模式的變化，被推測(cè)是自然選擇的結(jié)果。

2019年末開始席卷全球的新型冠狀病毒，帕博等在研究中發(fā)現(xiàn)其對(duì)人體影響的嚴(yán)重程度也受到來自尼人遺傳成分的影響[8]。他們發(fā)現(xiàn)3號(hào)染色體上的一個(gè)基因簇是冠狀病毒感染后發(fā)展為重癥的主要遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素，而該風(fēng)險(xiǎn)是由一段從尼人繼承的約50堿基對(duì)的基因片段帶來的。這一遺傳風(fēng)險(xiǎn)在南亞和歐洲人群中較高，而對(duì)東亞和非洲人群來說幾乎不存在。另外，也有其他學(xué)者的相關(guān)研究，共同揭示了已滅絕古人類對(duì)現(xiàn)代人的影響，如尼人的基因滲入幫助人類適應(yīng)歐亞大陸寒冷環(huán)境，但其基因也可能與煙酒上癮、抑郁癥、血栓、尿道功能失常、光化性角化病等相關(guān)；再如來自丹人的 EPAS1基因突變帶來高海拔適應(yīng)性；還有研究表明在末次盛冰期末，與東亞人特有的鏟形門齒表型相關(guān)的基因型頻率升高，也許與環(huán)境適應(yīng)性相關(guān)。

帕博繼續(xù)“腦洞大開”，另辟蹊徑地通過尼人的遺傳信息，嘗試復(fù)原其社會(huì)組織的建構(gòu)，對(duì)此我們知之甚少。通過雜交捕獲獲得尼人群體的全基因組水平的數(shù)據(jù)，帕博發(fā)現(xiàn)至少有一些尼人個(gè)體作為小社群的一部分在一起生活過，另外Y染色體的多樣性比線粒體DNA的多樣性低一個(gè)數(shù)量級(jí)，也許這是社群間女性多由外來的緣故[9]。

帕博引爆的這些“重磅炸彈”，激勵(lì)全世界相關(guān)科學(xué)家參與對(duì)古人類基因組信息的收集和研究中。從歐洲開始，陸續(xù)有來自亞洲、美洲、大洋洲、非洲的古基因組數(shù)據(jù)發(fā)表，目前已積累上萬個(gè)古人的基因組，逐漸構(gòu)成一本人類古DNA地圖集，這將不同時(shí)空的人群納入一個(gè)共同框架，實(shí)現(xiàn)對(duì)人群遷徙融合等事件的精細(xì)刻畫，為后續(xù)研究提供重要參考。這也引發(fā)了對(duì)研究倫理的相關(guān)討論。2021年，來自全球31個(gè)國(guó)家64位合作者共同討論起草的人類遺骸研究倫理規(guī)范在《自然》（Nature）上發(fā)布，它提出了全球適用的五條新規(guī)則，旨在保護(hù)古人遺存并更合理地開展研究。在未來研究中，會(huì)更關(guān)注倫理，在保護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)研究，這將提高古DNA研究的規(guī)范性。

“無用”之用

迅速發(fā)展的理念與技術(shù)、充足經(jīng)費(fèi)的支持、強(qiáng)烈的興趣驅(qū)動(dòng)等因素，都是帕博成功的關(guān)鍵。但這也許是一次有爭(zhēng)議的諾獎(jiǎng)，因?yàn)榕c之前的獲獎(jiǎng)?wù)呦啾龋谂敛┑难芯恐?，既沒有發(fā)明任何新技術(shù)，也沒有得出改變?nèi)祟惣膊』蚪】档闹匾Y(jié)果，甚至并不具備經(jīng)濟(jì)效益，也不能為公眾帶來任何便利。在這個(gè)效率至上的年代，這些讓帕博的研究看起來似乎是“無用”的。

但就是這些看似“無用”的研究，幫助解答人類最強(qiáng)烈的追索：“我們是誰，我們從哪里來，我們要到哪里去？”實(shí)際上，人類技術(shù)進(jìn)步太快，而對(duì)自身的理解卻太少。帕博與其團(tuán)隊(duì)為生物演化歷史打開了一扇新的研究之門，已滅絕的古人類甚至動(dòng)物都從殘存的骨骼里煥發(fā)出有血有肉的活力，向我們?cè)V說過去發(fā)生的一切。帕博的研究也影響了世界各地的科學(xué)家們，他們共同拓寬帕博的工作，重構(gòu)了在亞洲、美洲、大洋洲、非洲曾發(fā)生過的人類遷徙與融合的故事，甚至在南極的沉積物中也追蹤到各類已滅絕動(dòng)植物的蹤影。似乎在不遠(yuǎn)的未來，我們可以實(shí)現(xiàn)“給我一抔土，我可以復(fù)活整個(gè)世界”的暢想。這是真正的“無用”之用。

重建尼人基因組的想法在幾年前都被認(rèn)為是癡人說夢(mèng)。但現(xiàn)在，帕博做到了，并通過基因組展開全方位的研究。帕博繼續(xù)天馬行空，他表示有時(shí)喜歡做思想實(shí)驗(yàn)——尼人繁衍了約2000代就在這個(gè)星球上消失了，假如他們能繼續(xù)生存直到今天，那會(huì)是怎樣的一幅圖景？會(huì)經(jīng)歷種族歧視嗎？如果他們還活著，我們也許不能把自己和類人猿很好地區(qū)分開，也許人類與動(dòng)物的分界會(huì)更加模糊？我們永遠(yuǎn)無法知道這些問題的答案，但帕博認(rèn)為思考這些問題十分有趣，它有種特殊的魔力，可以反向促使我們更好地認(rèn)識(shí)一些社會(huì)問題，也會(huì)催生新的研究問題，也許有一天就會(huì)顛覆已有的認(rèn)知。帕博還想了解當(dāng)代人的基因變化，他想知道為什么古人類曾經(jīng)存在200萬年卻難以輕易穿越湖泊海洋，而現(xiàn)代人僅僅出現(xiàn)10萬年，就已經(jīng)登上了月球。

從埃及學(xué)、木乃伊，到找到尼人基因密碼，再到發(fā)現(xiàn)丹人的遺傳譜系，本是毫不相關(guān)的學(xué)科，但在帕博手里，用好奇心和想象力把它們串聯(lián)在一起，網(wǎng)越織越大，把人們各種千奇百怪的疑惑都捕獲在內(nèi)?！白叱龇侵蕖敝吩瓉聿⒉缓?jiǎn)單，我們的祖先一路締結(jié)古老的姻緣，將早已消失的同伴們的基因片段攜帶于身，從歐亞大陸一路走來，千萬年的光陰像一道道流星在人們眼前劃過，這是人類智慧的光芒，照亮我們的來時(shí)路。

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關(guān)鍵詞：諾貝爾獎(jiǎng) 古基因組學(xué) 人類演化 尼安德特人丹尼索瓦人 ■