【基因科學】栩栩如生的古代女孩基因體

■ 研究員得到的這個古代基因體,跟活人的基因體一樣清晰,足以揭露這位女孩有棕色的眼珠、頭髮跟皮膚等特徵。「沒有人會想到我們可以把古代人類基因體定序到這種品質。」人類學研究所的博士後研究員馬錫亞斯.梅耶 (Matthias Meyer) 說。

圖片來源: Credit: Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology

編譯│高英哲

一隊跨國際科學家運用驚人的新方法,強化基因體裡個別單股的 DNA ,把一位古代西伯利亞女孩的基因體定序了 31 遍。定序結果十分完整,研究員得到的這個古代基因體,跟活人的基因體一樣清晰,足以揭露這位女孩有棕色的眼珠、頭髮跟皮膚等特徵。「沒有人會想到我們可以把古代人類基因體定序到這種品質,」服務於德國萊比錫馬克斯蒲朗克演化人類學研究所的博士後研究員馬錫亞斯.梅耶 (Matthias Meyer) 說。「包括我自己在內,大家都被結果嚇了一大跳。」

定序精準到這種程度,讓研究團隊可以把這位五萬多年前,居住在西伯利亞丹尼索瓦洞穴裡的女孩的細胞核基因體,跟活人的基因體直接進行比較,產生一份使尼安德塔人的近親丹尼索瓦人跟我們有所差異,「幾近完整」的少數遺傳變化目錄。「這是現代人類的遺傳配方。」領導該研究團隊,同樣服務於馬克斯蒲朗克演化人類學研究所的古代遺傳學家史汪特.波伯 (Svante Pääbo) 這樣說。

諷刺的是有了這個高解析度的基因體,意味著在化石記錄中僅有一根細小手指骨頭跟兩顆牙齒的丹尼索瓦人,我們對他們遺傳上的瞭解,比任何其它古代人類都還要來得多——其中也包括尼安德塔人在內,他們可是有數百份標本的唷!研究團隊證實丹尼索瓦人與某些現存人類的祖先互相交配,還發現丹尼索瓦人的遺傳變化很小,顯示他們原本為數不多的人口,在現代人類人口增長的同時還進一步萎縮。「梅耶他們給古代 DNA 的研究領域,帶來再一次革命性的發展。」美國加州大學聖塔克魯茲分校演化生物學家貝絲.夏琵蘿 (Beth Shapiro) 說。美國賓州大學演化遺傳學家莎拉.蒂許可芙 (Sarah Tishkoff) 也同意這樣的看法,她說:「這項成果確實會推動這個研究領域的發展。」

波伯的研究小組在二〇一〇年五月報告說,他們給三個尼安德塔人的複合細胞核基因體,做出了低覆蓋率的定序結果(平均值是 1.3 個拷貝數),給這個研究領域帶來第一次衝擊。他們發現尼安德塔人跟歐洲人有 1% 相同的 DNA ,跟亞洲人則有 4% 相同,但是跟非洲人則沒有相同的 DNA ,從而得出尼安德塔人與現代人類互相交配的程度很低的結論。

大約七個月後,同一個小組又發表研究成果,他們從丹尼索瓦洞穴裡取得一根粉紅色的女孩手指骨頭,做出平均值 1.9 個拷貝數的細胞核基因體。他們發現雖然這個洞穴裡有尼安德塔人跟現代人類的骨頭,但這個女孩既不是尼安德塔人,也不是現代人類,而是屬於他們稱之為丹尼索瓦人的新人種血統。研究團隊在某些東南亞島嶼上發現「丹尼索瓦人 DNA 」,下結論說東南亞人的祖先也有跟丹尼索瓦人的祖先互相交配,地點有可能是在亞洲。

但是這些基因體品質都太差,無法做出可靠的差異目錄。問題有一部份出在古代 DNA 片片斷斷的,從骨頭裡萃取出來之後,大多就裂解成單一的 DNA 股。梅耶的突破點在於研發出一種做法,可以從單股 DNA 開始進行定序,而不需要像平常一樣用到雙股 DNA :把特別的分子跟單股 DNA 的末端連接在一起,那麼古代 DNA 在酵素複製其序列時就能固定下來。這樣做的結果呢,就是從這女孩區區十公克重的手指骨頭樣本裡,取得的丹尼索瓦人 DNA 定序結果,足足增加了 6 到 22 倍。研究團隊能夠覆蓋基因體裡 99.9% 可對應的核甘酸位置至少一次,其中有超過 92% 的位址至少可以覆蓋到 20 次,這是確認核甘酸位址可靠無誤的基準。在 31 份拷貝裡,來自女孩父母親的大約各佔一半,並未參加研究團隊的美國威斯康辛大學麥迪遜分校古人類學家約翰.哈克斯 (John Hawks) 說,這樣做出來的基因體「品質跟現代人類基因體差不多」。

這個古代基因體如今可以看得這麼清楚,梅耶等人頭一次能夠確定,丹尼索瓦人跟現代人類一樣擁有 23 對染色體,而不是像黑猩猩一樣有 24 對染色體。研究團隊把丹尼索瓦人的基因體跟人類基因體排好參照,計算突變數目之後,就能算出丹尼索瓦人跟現代人類在距今十七萬年前到七十萬年前的某個時候,終於分道揚鑣。

研究人員也想辦法估計各種基因血統的年歲,以及這女孩從她父母遺傳到的染色體之間的差異數目,藉此估算出古代丹尼索瓦人的人口大小。他們發現丹尼索瓦人原本就已經很低的遺傳多樣性,在四十萬年前甚至還進一步萎縮,反映出當時他們人口很少。相反地我們祖先的人口,在離開非洲進行大遷徙之前,似乎還增加了一倍。

研究團隊還計算丹尼索瓦人與黑猩猩之間的差異數目,發現比現代人類跟黑猩猩之間的差異來得少。這女孩的血統能夠累積突變的時間比較短,而這段「失落的演化過程」顯示她在大約八萬年前死亡,不過這項研究的共同作者,來自哈佛大學的族群遺傳學家大衛.萊赫 (David Reich) 說,這個死亡期間只是暫定。這是化石的年代首次直接透過基因體推估,如果這期間推估無誤,那就比發現所有丹尼索瓦人、尼安德塔人跟現代人類化石的沈積層,粗估約三萬年前到五萬多年前的年代,還要來得久遠得多。

研究團隊表示這個新出爐的基因體證實了他們先前的研究發現,顯示現在生活在巴布亞新幾內亞的人們,有大約 3% 的基因體來自丹尼索瓦人,而中國大陸的漢人跟傣族人只有一絲絲丹尼索瓦人的 DNA 。研究團隊還發現巴布亞新幾內亞人的常染色體裡,有更多丹尼索瓦人的 DNA 。常染色體從父母雙親遺傳下來的機率相當,而X染色體從母親那裡遺傳下來的機會,卻是從父親那裡遺傳到的兩倍。萊赫說這個奇特的模式有幾種可能的解釋,比方說丹尼索瓦人男性與現代人類女性互相交配,或是他們的結合在遺傳上無法相容,天擇過程就去除掉某些X染色體。

這個新的基因體還顯示出一種奇怪的結果:研究團隊利用這個詳盡的丹尼索瓦人基因體,細察他們的近親尼安德塔人,認為現在的東亞人比歐洲人擁有更多尼安德塔人的 DNA ,但是大多數的尼安德塔人化石卻是來自歐洲。美國史丹佛大學的古人類學家理察.克萊恩 (Richard Klein) 說,這項結果「相當奇特」。

最讓波伯感到興奮的,是能做出一份這些族群之間基因差異「幾近完整無缺的目錄」。這份目錄裡頭有過去十萬年以來,現代人類有變化的 111,812 個單一核甘酸。在那裡面有八個核甘酸位在神經系統配線基因裡頭,其中包括涉及神經細胞軸突與樹狀突成長的基因,以及會造成自閉症的基因。波伯對於一個受到叫做 FOXP2 的基因調節,會造成說話障礙的某個基因變化特別感興趣。研究團隊寫道:「我們不禁要懷疑現代人類的神經突觸傳導,可能有過關鍵性的改變。」這份目錄裡有 34 個基因與人類疾病有關,裡頭有些基因很明顯地適合進行基因表徵研究。「這份清單並沒有大到不行,這點很棒,」波伯說。「我們這組人跟其他人也許能夠在一二十年內,把大部份的基因分析完畢。」

在萊比錫的馬克斯蒲朗克演化人類學研究所裡,研究小組士氣正旺,忙著把化石樣本從架上拿下來,用新的「馬錫亞斯方法」進行測試。他們第一個著手處理的是波伯的尼安德塔人骨頭化石樣本清單,看看能不能做出一個足以跟這個丹尼索瓦人小女孩並駕齊驅的尼安德塔人基因體。

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 報導出處:Genome Brings Ancient Girl to Life

責任編輯:Nita Hsu

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One thought on “【基因科學】栩栩如生的古代女孩基因體

  • 2016 年 11 月 21 日 at 12:54:39
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    "們發現尼安德塔人跟歐洲人有 1% 相同的 DNA ,跟亞洲人則有 4% 相同,但是跟非洲人則沒有相同的 DNA ,從而得出尼安德塔人與現代人類互相交配的程度很低的結論。"
    "研究團隊證實丹尼索瓦人與某些現存人類的祖先互相交配,還發現丹尼索瓦人的遺傳變化很小,顯示他們原本為數不多的人口,在現代人類人口增長的同時還進一步萎縮。"
    或許雜交種可能只保留可以雙方相容的部分。

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