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新理論發(fā)現(xiàn)人類祖先差點(diǎn)兒“團(tuán)滅”

發(fā)布時(shí)間:2023-09-01 09:48:00來源: 中國科學(xué)報(bào)

  中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所研究員李海鵬研究組與華東師范大學(xué)腦功能基因組學(xué)研究所副研究員潘逸萱研究組“十年磨一劍”,創(chuàng)建了快速極小時(shí)間溯祖(FitCoal)新理論,并發(fā)現(xiàn)人類在早、中更新世過渡期由于氣候環(huán)境劇變經(jīng)歷了嚴(yán)重的“群體瓶頸”。在長達(dá)十幾萬年的漫長歲月中,人類祖先群體只有1000多人,幾近滅絕。相關(guān)研究9月1日在線發(fā)表于《科學(xué)》。

  這項(xiàng)被譽(yù)為“新理論帶來新發(fā)現(xiàn)的典范式研究”,不僅展示了計(jì)算生物學(xué)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的促進(jìn)和推動(dòng),也為進(jìn)一步研究和確定所有人類出生地提供了關(guān)鍵線索。

  走出史前人口“普查”困局

  “人類起源問題極其重要且引人入勝,而人群數(shù)量的變化歷史為研究人類起源提供了關(guān)鍵信息?!蔽骱髮W(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授楊劍介紹說,“最近100萬年是現(xiàn)代人類進(jìn)化的關(guān)鍵期。”

  史前人口數(shù)量的變化綜合反映了該時(shí)期氣候環(huán)境的變遷。因此,通過群體遺傳學(xué)研究方法進(jìn)行回溯,能深入了解現(xiàn)代人類的形成。已有化石記錄表明,近100萬年是人類進(jìn)化的關(guān)鍵時(shí)期,但人類群體歷史的研究多局限于最近30萬年至10萬年內(nèi)。

  “雖然近年來古DNA測(cè)序技術(shù)發(fā)展迅速,但由于地球氣候不利于DNA保存,因此無法從30萬年前非洲人類祖先化石中提取古DNA?!崩詈yi告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

  因此,李海鵬和合作者一直嘗試通過群體遺傳學(xué)新理論,分析現(xiàn)代人群基因組并研究百萬年前的群體歷史。

  “史前雖然沒有文字記載群體數(shù)量,但有效群體大小會(huì)影響每個(gè)世代的溯祖率,即兩個(gè)譜系在上一世代來自同一祖先的概率?!崩詈yi解釋說,“因此,可以通過人類祖先在群體基因組中留下的印記來推斷當(dāng)時(shí)的群體大小?!?/p>

  雖然找到了研究方法,但新問題隨之而來。研究人員發(fā)現(xiàn),群體歷史越久遠(yuǎn),留存至今的印記信號(hào)越微弱。

  為了準(zhǔn)確解讀這些信號(hào),進(jìn)而準(zhǔn)確估算百萬年前人類群體歷史,研究人員創(chuàng)建了群體遺傳學(xué)和計(jì)算生物學(xué)新理論——FitCoal。

  “遵照該理論進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo),可獲得任意群體模型下各突變類型,即突變頻譜對(duì)應(yīng)溯祖樹枝長期望值的解,并獲得精確的似然值,也就是在群體歷史條件下觀察到樣本突變頻譜的概率。”李海鵬說。因此,無須事先獲得群體歷史的先驗(yàn)知識(shí),用FitCoal即可自動(dòng)快速搜尋出極大似然值,從而推斷群體歷史,對(duì)古人類群體進(jìn)行“人口普查”。

  新理論催生新發(fā)現(xiàn)

  在FitCoal理論基礎(chǔ)上,由中國科學(xué)家主導(dǎo),意大利羅馬大學(xué)、佛羅倫薩大學(xué)以及美國得克薩斯大學(xué)的研究人員通力合作,通過設(shè)定群體歷史模型并分析模擬產(chǎn)生的DNA多態(tài)數(shù)據(jù),衡量估計(jì)群體歷史的無偏性和95%置信區(qū)間。

  這是評(píng)判某種分析方法準(zhǔn)確程度的模型。通過模擬兩個(gè)群體歷史模型的結(jié)果可以看出,F(xiàn)itCoal估計(jì)的群體歷史不但“無偏差”,而且置信區(qū)間優(yōu)于目前領(lǐng)域內(nèi)常用的3種方法。

  通過大量計(jì)算機(jī)模擬,研究人員進(jìn)一步分析了不同條件下的群體歷史,包括群體交融和自然選擇,發(fā)現(xiàn)所有結(jié)果均表明FitCoal可精準(zhǔn)估算百萬年內(nèi)的人類群體歷史。

  基于FitCoal,研究人員進(jìn)一步分析了來自千人基因組計(jì)劃和HGDP-CEPH基因組計(jì)劃產(chǎn)生的50個(gè)現(xiàn)代人類群體基因組數(shù)據(jù),首次發(fā)現(xiàn)在距今93萬年前,人類祖先由于早、中更新世過渡期的氣候劇烈變化,在短期內(nèi)喪失了約98.7%的群體成員,導(dǎo)致人類幾乎滅絕。

  在此后長達(dá)11.7萬年的時(shí)間里,人類平均成年個(gè)體數(shù)僅為1280,且從千人基因組和HGDP-CEPH兩組獨(dú)立數(shù)據(jù)獲得的群體數(shù)估值幾乎完全一致,分別為1270人和1300人??紤]到群體數(shù)量的自然波動(dòng),這一均值代表了遠(yuǎn)古人類群體瓶頸期最小群體數(shù)量的上限。

  “該理論在百萬年時(shí)間尺度上,實(shí)現(xiàn)了高精度時(shí)間回溯,同時(shí)能準(zhǔn)確地估計(jì)近期和遠(yuǎn)古的群體歷史。發(fā)現(xiàn)人類祖先經(jīng)歷過嚴(yán)重的群體瓶頸是一個(gè)里程碑,對(duì)人類進(jìn)化具有重要影響,可能決定了人類許多關(guān)鍵表型的形成?!睏顒φf。

  最好的“理論框架”

  “這是個(gè)買櫝‘藏’珠的故事?!敝猩酱髮W(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授吳仲義評(píng)價(jià)說,“這也是近年來《細(xì)胞》《自然》《科學(xué)》上刊發(fā)的鳳毛麟角的理論文章。”

  吳仲義認(rèn)為論文只是刊登了研究結(jié)論,實(shí)際上該研究的理論架構(gòu)意義更加深遠(yuǎn)。

  研究人員用南部非洲兩個(gè)群體的基因組作進(jìn)一步驗(yàn)證,雖然樣本個(gè)體僅為6人和8人,但FitCoal依然檢測(cè)到了遠(yuǎn)古群體瓶頸。對(duì)非洲群體樣本重抽樣的結(jié)果表明,僅需3個(gè)個(gè)體的基因組,即可利用該理論檢測(cè)到這一遠(yuǎn)古群體瓶頸,這進(jìn)一步驗(yàn)證了理論的可靠性。

  有趣的是,這一遠(yuǎn)古群體瓶頸恰好與非洲人類祖先化石的缺失環(huán)節(jié)、非洲直立人化石的消失、新的古人類物種(LCA)的形成、兩條古人類2號(hào)染色體的融合階段相對(duì)應(yīng)。

  “這說明早、中更新世過渡期嚴(yán)重的群體瓶頸對(duì)人類進(jìn)化具有關(guān)鍵影響,可能決定了現(xiàn)代人類許多關(guān)鍵表型的形成?!崩詈yi說,“遠(yuǎn)古時(shí)期群體數(shù)量減少降低了65.85%的現(xiàn)代人群遺傳多樣性,對(duì)人類生命和健康產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響?!?/p>

  群體遺傳學(xué)和人類遺傳學(xué)家、美國南佛羅里達(dá)大學(xué)教授劉曉明認(rèn)為,F(xiàn)itCoal方法是目前最準(zhǔn)確的估計(jì)有效群體規(guī)模歷史的方法。而且,該方法基于突變頻譜數(shù)據(jù),具有數(shù)據(jù)形式適應(yīng)性強(qiáng)、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn),有非常廣泛的應(yīng)用前景。

  “在科學(xué)發(fā)現(xiàn)方面,他們首次展示了人類在約100萬年前所經(jīng)歷的一次嚴(yán)重群體瓶頸的基因組證據(jù)。這一推斷與一系列人類學(xué)、古氣候?qū)W證據(jù)吻合?!眲悦髡f。(張雙虎)

(責(zé)編:李雨潼)

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