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解锁冰河时代东亚人群遗传图谱和适应性基因演化

发表日期:2021-05-27来源:放大 缩小

  谈到几万年前的冰河时期,大家马上会联想到动画影片系列“冰河时代”中古代人类形象和当时与其共存的猛犸象、剑齿虎等已灭绝动物的卡通形象。大家也会不禁追问到,当时的东亚人是如何生活的,他们跟大家有什么区别吗?研究表明,冰河时期尤其是末次盛冰期的气候变化对欧洲人群的迁徙和种群大小变化构成影响,考古证据表明其对亚洲高纬度和高海拔地区的人群历史也有类似的影响,但缺少相关的遗传学证据与针对性研究。在这一时期,尤其是末次盛冰期前后的东亚北部人群是否因气候的剧烈变化而发生相应人群的更替或迁徙交流?东亚人群是否携有与这一时期环境适应性相关的特有基因?这些都是关于东亚人遗传构成亟待探索而颇具挑战的关键问题。 

  2021527日,中国科学院威尼斯正规官网-威尼斯官方网站-首页付巧妹团队与云南大学张虎才研究组(第一编辑为中科院古脊椎所毛晓伟副研究员,通讯编辑为中科院古脊椎所付巧妹研究员和云南大学张虎才教授)合作在Cell杂志在线发表了题为“The deep population history of northern East Asia from the Late Pleistocene to the Holocene”的文章。团队对东亚北部人群的古基因组开展了研究,系统绘制出四万年来东亚北部人群的群体动态演化图谱,为探究东亚北部人群的适应性遗传变异情况及相关基因的选择机制提供了新的思路和证据。

  一、迄今东亚时间跨度最长的古基因组研究 

  该研究通过最前沿的古基因组实验技术,获取我国东北地区黑龙江省距今33000-3400年的25个早期人类样本的古基因组数据(其中11例个体超过1万年,图一),涵盖了整个末次盛冰期,填补了东亚北部人群遗传历史的相关时间断层。另外,研究还结合了田园洞人(付巧妹团队此前从我国北京四万年前的田园洞人化石中获取的中国以至东亚最古老现代人的基因组序列)展开演化遗传学与群体遗传学分析,将时间跨度延展到距今四万年到三千年。这里指的末次盛冰期约在2.65万年前开始,一直持续到约1.9万年前,这是距现在最近的极冰冷时期。

图一. 样本地理位置和年代信息 

  二、末次盛冰期之前的东亚北部人群 

  该研究指出生活在末次盛冰期前、距今约3.3万年的AR33K个体与距今4万年田园洞人的遗传成分相似。这表明在末次盛冰期之前,田园洞人相关人群在东亚北部广泛存在(图二)。

图二. 末次盛冰期前后的东亚北部人群动态示意图

  三、末次盛冰期末期出现最早的东亚古北方人群

  为进一步探究末次盛冰期气候变化如何影响东亚北部人群,该研究针对生存在末次盛冰期末期、距今1.9万年的AR19K个体的古基因组展开分析。这是东亚首例末次盛冰期前后的人类基因组,其数据表明在末次盛冰期前后(1.9万年)东亚北部人群发生了特殊变化,即之前广泛存在的田园洞人相关人群可能消失,东亚古北方人群此时已在黑龙江出现。这一结果将此前研究所发现的东亚南北方人群遗传分化的时间(9500年前)前推了近万年(图三)。 

图三. qpGraphA)和qpAdmB)人群混合结构模型

  四、末次盛冰期之后的东亚北部人群

  末次盛冰期之后,东亚北部人群的流动情况又是如何?本研究通过获取末次盛冰期之后黑龙江地区的16例个体基因组数据(距今约1.4-0.9万年),发现黑龙江流域人群的遗传连续性可能早在1.4万年前就已经开始,这比此前假说所提出的时间向前推进了6000年。该结论与黑龙江地区陶器和玉器最早出现在1.5万年前的考古记录相符。另外,本研究发现生活在末次盛冰期后、距今1.4万年前的AR14K个体更符合古西伯利亚人群(美洲之外与美洲原住民最相关的人群)所混有东亚祖源成分的来源(图三)。

  五、东亚北部人群的适应性遗传变异

  研究对东亚北部人群的适应性遗传变异情况也展开探索。此前研究发现其EDAR基因的V370A突变与东亚典型体征如更粗的毛发、更多的汗腺和铲形门齿有关,因此理解其自然选择机制,对研究东亚人群的适应性变异至关重要。本研究通过对大规模的古东亚人群基因组研究,更直接、深入地揭示出该基因的出现时间和可能的选择机制。研究发现,除田园洞人及末次盛冰期之前的AR33K个体以外,EDAR基因的V370A突变出现在包括AR19K在内的所有已知的古东亚人群之中。这一结果表明,EDAR基因的V370A突变率在末次盛冰期快结束或之后不久的时间里可能升高,该结论也使得所估算EDAR突变基因出现时间的上限提早并更为精确(图二)。

  随着古基因组技术与遗传学分析手段的不断进步,及国内专业团队与考古机构多方、跨学科合作的大力开展,针对东亚人群的古基因组研究已然迎来飞速发展的时刻。本研究首次在东亚地区开展跨度为四万年的大规模人类古基因组研究,且首次利用古基因组在适应性方面探究东亚人群重要表性特征的演化来源,揭示出东亚北部距今40000-3400年的的人群动态遗传历史,并为进一步探索东亚人群与环境的关系提供了重要遗传学证据。
  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.040
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