沉积物古DNA探秘灭绝古人类演化

平婉菁，刘逸宸，付巧妹

前沿聚焦

沉积物古DNA探秘灭绝古人类演化

平婉菁，刘逸宸，付巧妹

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所，北京 100044

古DNA领域首次从世界不同洞穴遗址的沉积物里提取古核基因组以揭示相关物种演化的突破性进展，标志着沉积物古DNA研究正式进入全基因组时代。近期，一种新的沉积物古核DNA富集方法成功从西班牙Estatuas洞穴沉积物里捕获多个尼安德特人的核DNA，揭示该灭绝古人类群体此前未知的人口更替的历史。沉积物古核DNA富集突破了古DNA研究依赖化石材料的限制，为深入探究远古不同人类群体在更宏大时空框架下迁徙、演化与适应的历史提供了更多可能。由此，本文将着重解读该研究带来的对尼安德特人遗传历史的新认识及其方法创新的重要意义；此外还将结合人类化石DNA及其他沉积物研究所发现的灭绝古人类线粒体DNA证据，厘清尼安德特人的种群多样性及其种群间分离或替代的历史。

沉积物古DNA；核基因组；灭绝古人类；尼安德特人；丹尼索瓦人；杂交捕获；探针组；种群替代

近期，杂志评选出“2021年度十大科学突破”，主题“解锁古老泥土DNA的时代到来”(ancient soil DNA comes of age)列举了古DNA领域多项研究首次从世界不同洞穴遗址的沉积物里提取古核基因组以揭示相关物种演化的突破性进展，这标志着沉积物古DNA研究正式进入全基因组时代。其中的一项重要研究是Vernot等[1]通过开发新的沉积物古DNA富集方法，从西班牙Estatuas等洞穴沉积物里捕获多个尼安德特人的核DNA，揭示了该灭绝古人类群体一段不为人知的人口更替的历史。这一突破对人类古基因组研究尤其具有里程碑式的意义。它意味着该领域研究得以突破材料的限制，将可能从更多不管是否有人类骨骸或活动痕迹的更新世遗址沉积物里去探寻远古人类的遗传信息，为更全面探索远古不同人类群体的迁徙、演化与环境适应的历史开辟了新的道路。

20世纪80年代以来，古DNA技术和研究的革新与发展，不断刷新着人类对自身由来及在地球上迁徙演化历程的理解和认识。尤其是，研究通过人类遗骸里的古DNA直接观察到与现代人在遗传上不同的群体——现代人的近亲——尼安德特人和丹尼索瓦人的存在，及获悉这些灭绝古人类群体(受限于目前已有的古DNA证据，本文关于灭绝古人类的讨论将仅限于尼安德特人和丹尼索瓦人)与现代人祖先之间此前未知的互动历史。2010年，尼安德特人和丹尼索瓦人的基因组草图相继发布，为揭示远古人类群体间基因交流及其对欧亚现代人深远的遗传影响提供了直接的证据[2,3]。随着更多对更新世时期地点人类化石(包括尼安德特人、丹尼索瓦人、早期现代人及其混血个体)古DNA的提取和研究，学界对这些远古人类群体间基因交流的认识日益深入：尼安德特人与早期现代人发生基因交流的时间、地点、次数和基因流向[4～6]，丹尼索瓦人可能有的不同亚群数量和广泛分布的范围[3,7～12]，尼安德特人与丹尼索瓦人形成混血后代的直接证据[13]，灭绝古人类基因在欧亚不同现代人群中的分布比例[2,3,12,14～17]及其对现代人生理机能、疾病发生率和环境适应性的潜在影响[7,15,16,18～25]等更多细节得以被揭露。

然而，这些研究大多聚焦于灭绝古人类群体与早期现代人的互动及对当今现代人的影响。受制于灭绝古人类化石的稀缺，对这些灭绝古人类本身遗传谱系和演化历史的探索却极其有限——他们曾存在于何时，分布有多广？他们曾分化成哪些不同的种群，种群间是否发生过更替或融合？他们如何适应于环境的变化，又是怎样灭绝的？这些问题都所知甚少。因此，本文将着重解读沉积物里首获灭绝古人类核基因组的研究带来的对尼安德特人遗传历史的新认识及其方法创新的重要意义；此外还将结合人类化石DNA及其他沉积物研究所发现的灭绝古人类线粒体DNA证据，厘清尼安德特人的种群多样性及其种群间分离或替代的历史。

1 从线粒体DNA到核DNA：沉积物古DNA捕获方法的新突破

目前，研究人员已从来自欧亚大陆14个地点(大多数在欧洲)的23个灭绝古人类的骨骼或牙齿样本中提取到全部或部分核基因组[1]，包括18个尼安德特人[2,17,26～30]、4个丹尼索瓦人[3,8,31]和1个有着尼安德特人母亲和丹尼索瓦人父亲的混血儿[13]。然而，在发现的大量晚更新世遗址里，出土有灭绝古人类骨骸化石的地点还是相对较少，而且大多数地点发现的骨骸化石都集中在一个或几个地层之中，很多时候并不能覆盖相关地点的全部时间跨度。这意味着，对灭绝古人类骨骸化石的古DNA研究有着极大的时空局限性，甚至有时候因为骨骸化石保存情况不佳，还可能无法提取到相关古DNA[1]。

早在2017年，Slon等[32]为找到更多灭绝古人类演化的线索，通过开发沉积物古DNA杂交捕获的方法，从欧洲比利时Trou Al'Wesse洞、克罗地亚Vindija洞、西班牙El Sidrón洞、法国Caune de l'Arago洞和Les Cottés洞，及西伯利亚Denisova洞和Chag­yrskaya洞等7个已知有灭绝古人类存在的洞穴沉积物中获取多例尼安德特人和丹尼索瓦人的线粒体DNA[32]。该研究首次突破人类遗骸化石的限制，实现从沉积物里直接提取史前人类的遗传信息，其制备的相关文库也为后来沉积物核DNA的提取和研究奠定基础。

而后，本课题组运用这一方法从青藏高原白石崖溶洞距今10～4.5万年的数个地层沉积物里获取丹尼索瓦人的线粒体DNA。这是首次在Denisova洞之外获取丹尼索瓦人的DNA信息，明确证实丹尼索瓦人在晚更新世时期曾长期生存在青藏高原[33]，表明沉积物古DNA对探究灭绝古人类的时空分布和环境适应历史有极大潜力。不过，线粒体能够提供的遗传信息有限，仅可证实相关灭绝古人类的存在及追溯其母系遗传的历史，并不足以反映更为复杂的祖源成分。要深入了解灭绝古人类的演化谱系和更完整的遗传历史，则要从核DNA上进行突破。

沉积物里含有海量的环境微生物DNA和哺乳动物DNA，要分离并识别出灭绝古人类的线粒体DNA已非常困难，而要识别出灭绝古人类的内源核DNA则更具挑战。沉积物里的绝大多数哺乳动物DNA都不是人类的DNA，而且因为人类和其他哺乳动物在许多位点都存在同源序列，要识别出人类的DNA非常困难。核DNA信息量大，提取的难度更大。因此，Vernot等[1]在原来杂交捕获方法的基础上，经过一系列模拟和实验探索出新的富集方法。具体来说，他们通过15种灵长类和非灵长类动物的多序列比对识别出哺乳动物核基因组中序列多样性高的区域，也就是围绕一个目标SNP(单核苷酸多态性，指基因组水平上单个核苷酸变异引起的DNA序列多态性，包括单个碱基的转换、颠换、插入、缺失等形式)前25 bp和后26 bp的序列片段进行比对时，经计算和模拟识别出人类和9种非灵长类动物基因组相差超过8个碱基对的区域，这可极大降低非人源哺乳动物DNA错配率并最有效富集人源DNA。根据以上设计思路，他们开发了针对人类基因组中160万个SNP位点的探针组，针对每个SNP位点设计有两个52 bp的探针，一个探针包含有目标位点的衍生等位基因，一个探针包含有祖先等位基因，由此通过杂交捕获对序列多样性高区域里这些位点的目标片段进行富集[1]。

Vernot等[1]将这些方法应用于西伯利亚阿尔泰山脉中的Denisova洞、Chagyrskaya洞和西班牙北部的Estatuas洞等3个洞穴100多例沉积物样本，通过古DNA捕获分析，从三个地点都获得了尼安德特人的核DNA和线粒体DNA[1]，并得到对该灭绝古人类群体在一个遗址更完整活动历史及多个遗址不同种群间互动关系的新的、更全面的理解。

2 化石和沉积物古DNA：共探尼安德特古人类的迁徙与演化历史

在现代人类从非洲向世界各地扩散之前，尼安德特人已广泛生活在欧亚大陆西部，但他们起源和扩散的历史仍是未解之谜。迄今尼安德特人最早的形态学和遗传学证据可以追溯到约43万年前[34]，而最后的尼安德特人大约在4万年前消失[28,35]。灭绝古人类化石的DNA证据显示尼安德特人在与丹尼索瓦人分离以后人口规模迅速扩大并向各区域扩散，而后他们长期以孤立的群体生活，群体内部近亲繁殖的现象显著，而基因流动程度很低，由此导致人口规模下降，这也被认为是尼安德特人灭绝的可能原因[26～28,36]。

尽管尼安德特人遗传多样性远低于现代人类[36]，但是仍能通过DNA识别其不同的种群并探知这些种群间的关系。Vernot等[1]选取了三个地点展开对沉积物中灭绝古人类核DNA的探索——西伯利亚南部的Denisova洞和Chagyrskaya洞，及西班牙北部的Galeria de las Estatuas洞[1]。

Denisova洞和Chagyrskaya洞均位于阿尔泰山脉，两地相距约100 km。已有研究从这两个地点的人类遗骸(约12万年前的阿尔泰尼安德特人- Denisova 5个体和约8万年前的Chagyrskaya 8个体)中获得高覆盖度的尼安德特人基因组[26,30]。数据显示Chagyrskaya 8相较于同地区较老的阿尔泰尼安德特人来说，与远在克罗地亚更年轻的尼安德特人(约5.2万年前的Vindija 33.19个体)和欧亚大陆西部其他晚期尼安德特人(高加索北部约7万年前的Mezmaiskaya 1个体及欧洲比利时、法国、克罗地亚4个约4.7～3.9万年前的个体)共享有更多的等位基因，即有着更近的遗传关系。而就Vindija 33.19个体和Chagyrskaya 8个体比较来说，前者与其他欧洲晚期尼安德特人关系更近，而后者与丹尼索瓦人和尼安德特人的第一代混血儿(约5万年前的Denisova 11个体)关系更近，更进一步说是与Denisova 11个体的尼安德特人母亲的关系最为密切[13,17,26,28,30,37]。

Vernot等[1]从这两个地点沉积物中所捕获的尼安德特人核DNA的分析结果与化石DNA的结果保持一致。具体而言，Denisova洞穴地层沉积物里获得的2例尼安德特人核DNA经分析属于阿尔泰尼安德特人种群，其中之一(E11.4)来自阿尔泰尼安德特人所发现的同一地层(约10.5～12万年前)，另一份(M14.2)则来自主室同时期(约9.7～11.2万年前)的地层；Chagyrskaya洞穴所有地层沉积物里获得的尼安德特人核DNA都属于Chagyrskaya 8个体所代表的种群[1,26,30]。这些结果表明至少有两个独立的尼安德特人种群分批从欧洲迁至西伯利亚南部阿尔泰山脉，第一批欧洲早期尼安德特人在12万年以前进入Denisova洞生活，而后来的尼安德特人部分进入Chagyrskaya洞生活并带来了他们的技术文化(这与考古学家们针对这些地点出土的文化器物分析的结果[38]相印证)，部分则来到Denisova洞，替换了前一批到来的尼安德特人种群，并与丹尼索瓦人发生基因交流。

Denisova洞是发现过大量丹尼索瓦人、尼安德特人和两者混血儿骨骸化石的地点。为找到更多线索，Zavala等[39]此前使用自动化实验方案对Denisova洞728例沉积物样本展开过大规模的线粒体DNA捕获和研究，发现该地点最早的居民是丹尼索瓦人，可追溯至约30万年前。尼安德特人则在约17万年前到来，且两者在这个遗址可能发生多次重叠或更替。另一意外的发现是研究首次从Denisova洞穴沉积物里获得早期现代人的线粒体DNA，表明他们约4.5万年前在这里出现[39]。但是，线粒体DNA并不足以探究这三个人类种群之间更为复杂的互动历史，这也凸显出沉积物核DNA的提取和研究将对阐明人类演化历史发挥重要作用。

沉积物古核DNA富集方法的应用，使Vernot等[1]得以从尚未有任何化石古DNA证据的Estatuas洞穴沉积物里捕获多个尼安德特人的线粒体和核DNA，为揭示该地点及更大时空框架下尼安德特人的遗传图谱提供了关键证据。从线粒体谱系来看，来自最深地层、可追溯至约11.3万年前的尼安德特人(GE pit I Layer 4)与欧洲早期尼安德特人(比利时约12.7万年前的Scladina个体和德国约12.4万年前的HST个体)关系密切；而来自其他地层约10万年前的尼安德特人(GE pit I Layer 2-3和GE pit II Layer 2)则与高加索北部尼安德特人(Mezmaiskaya 1)有更近的遗传关系[1,28,29]。基于核基因组的系统发育分析(图1)，Vernot等[1]推算出Estatuas洞穴这两个不同尼安德特人种群的分化时间。具体而言，该地点更晚期尼安德特人从最近祖先群体分离出来的时间在约10～11.5万年前，与Vindija、Mezmaiskaya 1和Chagyrskaya 8等种群彼此分离的时间相近。此外，该地点与HST同属一个种群的更早期尼安德特人，则是在约12.2～13.4万年前从最近祖先群体分离出来，与HST、Scladina和阿尔泰尼安德特人等种群彼此分离的时间相近。这些结果清楚表明西班牙北部的尼安德特人在约10万年前发生了种群的更替，且在晚更新世早期存在两次明显的尼安德特人向外扩散的事件，研究推测可能与末次冰期环境气候的变化有关[1]。

图1 Estatuas洞穴沉积物样本在尼安德特人系统发育树上的分布

尼安德特人系统发育树显示尼安德特人群体相继在约10.5万年前和13.5万年前出现分化，向外发生辐射。根据参考文献[1]修改绘制。

3 结语与展望

20世纪初，Willerslev等[40]已开始从沉积物里检测和分析史前生物的线粒体DNA，继而更多研究得以用沉积物里的线粒体古DNA重建远古生态环境并探寻史前生物的多样性[41～43]。历经数十年的探索，沉积物古DNA的提取和研究终于迎来新的契机，最近的3项成果在洞穴沉积物的核基因组提取和研究上取得重大突破：Pedersen等[44]从墨西哥北部Chiquihuite洞穴沉积物里提取并识别出同一地点不同古熊种群的核基因组，Gelabert等[45]从佐治亚州西部Satsurblia洞穴沉积物里直接测序古老人类和多种灭绝哺乳动物的核基因组，以及用新方法从多个洞穴沉积物里富集灭绝尼安德特古人类不同种群的核基因组[1]，它们标志着沉积物古DNA研究从线粒体DNA向全基因组时代的跨越。

未来的沉积物古DNA研究将不再仅局限于识别远古物种、重建古生态环境或了解人类群体的时空分布，而是真正迈入全基因组阶段，使研究能够更精确、深入地探究不同人类群体在时空中的交流和演变历史，及其他生物的系统发育关系。通过分离沉积物中来源丰富(远古人类、动物、植物、微生物等)的古DNA，将可能解读更大时空范围因缺乏古生物遗骸而被忽略的遗传历史，并在一个更加宏大的时空框架里探讨远古生命起源、演化、扩散、适应等重大科学问题[2]，通过丰富的遗传学数据来绘制此前不为人知的远古世界图景。

感谢中国科学院古脊椎动物与古人类研究所Ethan Andrew Bennett博士对英文摘要提出建议。

[1] Vernot B, Zavala EI, Gómez-Olivencia A, Jacobs Z, Slon V, Mafessoni F, Romagné F, Pearson A, Petr M, Sala N, Pablos A, Aranburu A, de Castro JMB, Carbonell E, Li B, Krajcarz MT, Krivoshapkin AI, Kolobova KA, Kozlikin MB, Shunkov MV, Derevianko AP, Viola B, Grote S, Essel E, Herráez DL, Nagel S, Nickel B, Richter J, Schmidt A, Peter B, Kelso J, Roberts RG, Arsuaga JL, Meyer M. Unearthing Neanderthal population history using nuclear and mitochondrial DNA from cave sediments., 2021, 372(6542): eabf1667.

[2] Green RE, Krause J, Briggs AW, Maricic T, Stenzel U, Kircher M, Patterson N, Li H, Zhai WW, Fritz MHY, Hansen NF, Durand EY, Malaspinas AS, Jensen JD, Marques-Bonet T, Alkan C, Prüfer K, Meyer M, Burbano HA, Good JM, Schultz R, Aximu-Petri A, Butthof A, Höber B, Höffner B, Siegemund M, Weihmann A, Nusbaum C, Lander ES, Russ C, Novod N, Affourtit J, Egholm M, Verna C, Rudan P, Brajkovic D, Kucan Ž, Gušic I, Doronichev VB, Golovanova LV, Lalueza-Fox C, de la Rasilla M, Fortea J, Rosas A, Schmitz RW, Johnson PLF, Eichler EE, Falush D, Birney E, Mullikin JC, Slatkin M, Nielsen R, Kelso J, Lachmann M, Reich D, Pääbo S. A draft sequence of the Neandertal genome., 2010, 328(5979): 710–722.

[3] Reich D, Green RE, Kircher M, Krause J, Patterson N, Durand EY, Viola B, Briggs AW, Stenzel U, Johnson PLF, Maricic T, Good JM, Marques-Bonet T, Alkan C, Fu QM, Mallick S, Li H, Meyer M, Eichler EE, Stoneking M, Richards M, Talamo S, Shunkov MV, Derevianko AP, Hublin JJ, Kelso J, Slatkin M, Pääbo S. Genetic history of an archaic hominin group from Denisova cave in Siberia., 2010, 468(7327): 1053–1060.

[4] Fu QM, Li H, Moorjani P, Jay F, Slepchenko SM, Bondarev AA, Johnson PLF, Aximu-Petri A, Prüfer K, de Filippo C, Meyer M, Zwyns N, Salazar-García DC, Kuzmin YV, Keates SG, Kosintsev PA, Razhev DI, Richards MP, Peristov NV, Lachmann M, Douka K, Higham TFG, Slatkin M, Hublin JJ, Reich D, Kelso J, Viola TB, Pääbo S. Genome sequence of a 45,000-year-old modern human from western Siberia., 2014, 514(7523): 445–449.

[5] Fu QM, Hajdinjak M, Moldovan OT, Constantin S, Mallick S, Skoglund P, Patterson N, Rohland N, Lazaridis I, Nickel B, Viola B, Prüfer K, Meyer M, Kelso J, Reich D, Pääbo S. An early modern human from Romania with a recent Neanderthal ancestor., 2015, 524(7564): 216–219.

[6] Kuhlwilm M, Gronau I, Hubisz MJ, de Filippo C, Prado-Martinez J, Kircher M, Fu QM, Burbano HA, Lalueza-Fox C, de la Rasilla M, Rosas A, Rudan P, Brajkovic D, Kucan Ž, Gušic I, Marques-Bonet T, Andrés AM, Viola B, Pääbo S, Meyer M, Siepel A, Castellano S. Ancient gene flow from early modern humans into Eastern Neanderthals., 2016, 530(7591): 429–433.

[7] Reich D, Patterson N, Kircher M, Delfin F, Nandineni MR, Pugach I, Ko AMS, Ko YC, Jinam TA, Phipps ME, Saitou N, Wollstein A, Kayser M, Pääbo S, Stoneking M. Denisova admixture and the first modern human dispersals into Southeast Asia and Oceania., 2011, 89(4): 516–528.

[8] Meyer M, Kircher M, Gansauge MT, Li H, Racimo F, Mallick S, Schraiber JG, Jay F, Prüfer K, de Filippo C, Sudmant PH, Alkan C, Fu QM, Do R, Rohland N, Tandon A, Siebauer M, Green RE, Bryc K, Briggs AW, Stenzel U, Dabney J, Shendure J, Kitzman J, Hammer MF, Shunkov MV, Derevianko AP, Patterson N, Andrés AM, Eichler EE, Slatkin M, Reich D, Kelso J, Pääbo S. A high-coverage genome sequence from an archaic Denisovan individual., 2012, 338(6104): 222–226.

[9] Vernot B, Tucci S, Kelso J, Schraiber JG, Wolf AB, Gittelman RM, Dannemann M, Grote S, McCoy RC, Norton H, Scheinfeldt LB, Merriwether DA, Koki G, Friedlaender JS, Wakefield J, Pääbo S, Akey JM. Excavating Neandertal and Denisovan DNA from the genomes of Melanesian individuals., 2016, 352(6282): 235–239.

[10] Slon V, Viola B, Renaud G, Gansauge MT, Benazzi S, Sawyer S, Hublin JJ, Shunkov MV, Derevianko AP, Kelso J, Prüfer K, Meyer M, Pääbo S. A fourth Denisovan individual., 2017, 3(7): e1700186.

[11] Browning SR, Browning BL, Zhou Y, Tucci S, Akey JM. Analysis of human sequence data reveals two pulses of archaic Denisovan admixture., 2018, 173(1): 53– 61.e9.

[12] Jacobs GS, Hudjashov G, Saag L, Kusuma P, Darusallam CC, Lawson DJ, Mondal M, Pagani L, Ricaut FX, Stoneking M, Metspalu M, Sudoyo H, Lansing JS, Cox MP. Multiple deeply divergent Denisovan ancestries in Papuans., 2019, 177(4): 1010–1021.e32.

[13] Slon V, Mafessoni F, Vernot B, de Filippo C, Grote S, Viola B, Hajdinjak M, Peyrégne S, Nagel S, Brown S, Douka K, Higham T, Kozlikin MB, Shunkov MV, Derevianko AP, Kelso J, Meyer M, Prüfer K, Pääbo S. The genome of the offspring of a Neanderthal mother and a Denisovan father., 2018, 561(7721): 113–116.

[14] Wall JD, Yang MA, Jay F, Kim SK, Durand EY, Stevison LS, Gignoux C, Woerner A, Hammer MF, Slatkin M. Higher levels of neanderthal ancestry in East Asians than in Europeans., 2013, 194(1): 199–209.

[15] Vernot B, Akey JM. Resurrecting surviving Neandertal lineages from modern human genomes., 2014, 343(6174): 1017–1021.

[16] Sankararaman S, Mallick S, Dannemann M, Prüfer K, Kelso J, Pääbo S, Patterson N, Reich D. The genomic landscape of Neanderthal ancestry in present-day humans., 2014, 507(7492): 354–357.

[17] Prüfer K, de Filippo C, Grote S, Mafessoni F, Korlević P, Hajdinjak M, Vernot B, Skov L, Hsieh P, Peyrégne S, Reher D, Hopfe C, Nagel S, Maricic T, Fu QM, Theunert C, Rogers R, Skoglund P, Chintalapati M, Dannemann M, Nelson BJ, Key FM, Rudan P, Kućan Ž, Gušić I, Golovanova LV, Doronichev VB, Patterson N, Reich D, Eichler EE, Slatkin M, Schierup MH, Andrés AM, Kelso J, Meyer M, Pääbo S. A high-coverage Neandertal genome from Vindija Cave in Croatia., 2017, 358(6363): 655–658.

[18] Beall CM, Cavalleri GL, Deng LB, Elston RC, Gao Y, Knight J, Li CH, Li JC, Liang Y, McCormack M, Montgomery HE, Pan H, Robbins PA, Shianna KV, Tam SC, Tsering N, Veeramah KR, Wang W, Wangdui P, Weale ME, Xu YM, Xu Z, Yang L, Zaman MJ, Zeng CQ, Zhang L, Zhang XL, Zhaxi PC, Zheng YT. Natural selection on EPAS1 (HIF2alpha) associated with low hemoglobin concentration in Tibetan highlanders., 2010, 107(25): 11459–11464.

[19] Peng Y, Yang ZH, Zhang H, Cui CY, Qi XB, Luo XJ, Tao X, Wu TY, Ouzhuluobu, Basang, Ciwangsangbu, Danzengduojie, Chen H, Shi H, Su B. Genetic variations in Tibetan populations and high-altitude adaptation at the Himalayas., 2011, 28(2): 1075–1081.

[20] Xu SH, Li SL, Yang YJ, Tan JZ, Lou HY, Jin WF, Yang L, Pan XD, Wang JC, Shen YP, Wu BL, Wang HY, Jin L. A genome-wide search for signals of high-altitude adaptation in Tibetans., 2011, 28(2): 1003–1011.

[21] Huerta-Sánchez E, Jin X, Asan, Bianba Z, Peter BM, Vinckenbosch N, Liang Y, Yi X, He MZ, Somel M, Ni PX, Wang B, Ou XH, Huasang, Luosang JB, Cuo ZXP, Li K, Gao GY, Yin Y, Wang W, Zhang XQ, Xu X, Yang HM, Li YR, Wang J, Wang J, Nielsen R. Altitude adaptation in Tibetans caused by introgression of Denisovan-like DNA., 2014, 512(7513): 194–197.

[22] Racimo F, Sankararaman S, Nielsen R, Huerta-Sánchez E. Evidence for archaic adaptive introgression in humans., 2015, 16(6): 359–371.

[23] Fumagalli M, Moltke I, Grarup N, Racimo F, Bjerregaard P, Jørgensen ME, Korneliussen TS, Gerbault P, Skotte L, Linneberg A, Christensen C, Brandslund I, Jørgensen T, Huerta-Sánchez E, Schmidt EB, Pedersen O, Hansen T, Albrechtsen A, Nielsen R. Greenlandic Inuit show genetic signatures of diet and climate adaptation., 2015, 349(6254): 1343–1347.

[24] Deschamps M, Laval G, Fagny M, Itan Y, Abel L, Casanova JL, Patin E, Quintana-Murci L. Genomic signatures of selective pressures and introgression from archaic hominins at human innate immunity genes., 2016, 98(1): 5–21.

[25] Racimo F,Gokhman D, Fumagalli M, Ko A, Hansen T, Moltke I, Albrechtsen A, Carmel L, Huerta-Sánchez E, Nielsen R. Archaic adaptive introgression in TBX15/ WARS2., 2017, 34(3): 509–524.

[26] Prüfer K, Racimo F, Patterson N, Jay F, Sankararaman S, Sawyer S, Heinze A, Renaud G, Sudmant PH, de Filippo C, Li H, Mallick S, Dannemann M, Fu QM, Kircher M, Kuhlwilm M, Lachmann M, Meyer M, Ongyerth M, Siebauer M, Theunert C, Tandon A, Moorjani P, Pickrell J, Mullikin JC, Vohr SH, Green RE, Hellmann I, Johnson PLF, Blanche H, Cann H, Kitzman JO, Shendure J, Eichler EE, Lein ES, Bakken TE, Golovanova LV, Doronichev VB, Shunkov MV, Derevianko AP, Viola B, Slatkin M, Reich D, Kelso J, Pääbo S. The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains., 2014, 505(7481): 43–49.

[27] Castellano S, Parra G, Sánchez-Quinto FA, Racimo F, Kuhlwilm M, Kircher M, Sawyer S, Fu QM, Heinze A, Nickel B, Dabney J, Siebauer M, White L, Burbano HA, Renaud G, Stenzel U, Lalueza-Fox C, de la Rasilla M, Rosas A, Rudan P, Brajković D, Kucan Ž, Gušic I, Shunkov MV, Derevianko AP, Viola B, Meyer M, Kelso J, Andrés AM, Pääbo S. Patterns of coding variation in the complete exomes of three Neandertals., 2014, 111(18): 6666–6671.

[28] Hajdinjak M, Fu QM, Hübner A, Petr M, Mafessoni F, Grote S, Skoglund P, Narasimham V, Rougier H, Crevecoeur I, Semal P, Soressi M, Talamo S, Hublin JJ, Gušić I, Kućan Ž, Rudan P, Golovanova LV, Doronichev VB, Posth C, Krause J, Korlević P, Nagel S, Nickel B, Slatkin M, Patterson N, Reich D, Prüfer K, Meyer M, Pääbo S, Kelso J. Reconstructing the genetic history of late Neanderthals., 2018, 555(7698): 652–656.

[29] Peyrégne S, Slon V, Mafessoni F, de Filippo C, Hajdinjak M, Nagel S, Nickel B, Essel E, Le Cabec A, Wehrberger K, Conard NJ, Kind CJ, Posth C, Krause J, Abrams G, Bonjean D, Di Modica K, Toussaint M, Kelso J, Meyer M, Pääbo S, Prüfer K. Nuclear DNA from two early Neandertals reveals 80,000 years of genetic continuity in Europe., 2019, 5(6): eaaw5873.

[30] Mafessoni F, Grote S, de Filippo C, Slon V, Kolobova KA, Viola B, Markin SV, Chintalapati M, Peyrégne S, Skov L, Skoglund P, Krivoshapkin AI, Derevianko AP, Meyer M, Kelso J, Peter B, Prüfer K, Pääbo S. A high-coverage Neandertal genome from Chagyrskaya Cave., 2020, 117(26): 15132–15136.

[31] Sawyer S, Renaud G, Viola B, Hublin JJ, Gansauge MT, Shunkov MV, Derevianko AP, Prüfer K, Kelso J, Pääbo S. Nuclear and mitochondrial DNA sequences from two Denisovan individuals., 2015, 112(51): 15696–15700.

[32] Slon V, Hopfe C, Weiß CL, Mafessoni F, de la Rasilla M, Lalueza-Fox C, Rosas A, Soressi M, Knul MV, Miller R, Stewart JR, Derevianko AP, Jacobs Z, Li B, Roberts RG, Shunkov MV, de Lumley H, Perrenoud C, Gušić I, Kućan Ž, Rudan P, Aximu-Petri A, Essel E, Nagel S, Nickel B, Schmidt A, Prüfer K, Kelso J, Burbano HA, Pääbo S, Meyer M. Neandertal and Denisovan DNA from Pleistocene sediments., 2017, 356(6338): 605–608.

[33] Zhang DJ, Xia H, Chen FH, Li B, Slon V, Cheng T, Yang RW, Jacobs Z, Dai QY, Massilani D, Shen XK, Wang J, Feng XT, Cao P, Yang MA, Yao JT, Yang JS, Madsen DB, Han YY, Ping WJ, Liu F, Perreault C, Chen XS, Meyer M, Kelso J, Pääbo S, Fu QM. Denisovan DNA in Late Pleistocene sediments from Baishiya Karst Cave on the Tibetan Plateau., 2020, 370(6516): 584–587.

[34] Meyer M, Arsuaga JL, de Filippo C, Nagel S, Aximu-Petri A, Nickel B, Martínez I, Gracia A, de Castro JMB, Carbonell E, Viola B, Kelso J, Prüfer K, Pääbo S. Nuclear DNA sequences from the Middle Pleistocene Sima de los Huesos hominins., 2016, 531(7595): 504–507

[35] Higham T, Douka K, Wood R, Ramsey CB, Brock F, Basell L, Camps M, Arrizabalaga A, Baena J, Barroso- Ruíz C, Bergman C, Boitard C, Boscato P, Caparrós M, Conard NJ, Draily C, Froment A, Galván B, Gambassini P, Garcia-Moreno A, Grimaldi S, Haesaerts P, Holt B, Iriarte- Chiapusso MJ, Jelinek A, Jordá Pardo JF, Maíllo- Fernández JM, Marom A, Maroto J, Menéndez M, Metz L, Morin E, Moroni A, Negrino F, Panagopoulou E, Peresani M, Pirson S, de la Rasilla M, Riel-Salvatore J, Ronchitelli A, Santamaria D, Semal P, Slimak L, Soler J, Soler N, Villaluenga A, Pinhasi R, Jacobi R. The timing and spatiotemporal patterning of Neanderthal disappearance., 2014, 512(7514): 306–309.

[36] Rogers AR, Bohlender RJ, Huff CD. Early history of Neanderthals and Denisovans., 2017, 114(37): 9859–9863.

[37] Jacobs Z, Li B, Shunkov MV, Kozlikin MB, Bolikhovskaya NS, Agadjanian AK, Uliyanov VA, Vasiliev SK, O'Gorman K, Derevianko AP, Roberts RG. Timing of archaic hominin occupation of Denisova Cave in southern Siberia., 2019, 565(7741): 594–599.

[38] Kolobova KA, Roberts RG, Chabai VP, Jacobs Z, Krajcarz MT, Shalagina AV, Krivoshapkin AI, Li B, Uthmeier T, Markin SV, Morley MW, O'Gorman K, Rudaya NA, Talamo S, Viola B, Derevianko AP. Archaeological evidence for two separate dispersals of Neanderthals into southern Siberia., 2020, 117(6): 2879–2885.

[39] Zavala EI, Jacobs Z, Vernot B, Shunkov MV, Kozlikin MB, Derevianko AP, Essel E, de Fillipo C, Nagel S, Richter J, Romagné F, Schmidt A, Li B, O'Gorman K, Slon V, Kelso J, Pääbo S, Roberts RG, Meyer M. Pleistocene sediment DNA reveals hominin and faunal turnovers at Denisova Cave., 2021, 595(7867): 399–403.

[40] Willerslev E, Hansen AJ, Binladen J, Brand TB, Gilbert MTP, Shapiro B, Bunce M, Wiuf C, Gilichinsky DA, Cooper A. Diverse plant and animal genetic records from Holocene and Pleistocene sediments., 2003, 300(5620): 791–795.

[41] Willerslev E, Cappellini E, Boomsma W, Nielsen R, Hebsgaard MB, Brand TB, Hofreiter M, Bunce M, Poinar HN, Dahl-Jensen D, Johnsen S, Steffensen JP, Bennike O, Schwenninger JL, Nathan R, Armitage S, de Hoog CJ, Alfimov V, Christl M, Beer J, Muscheler R, Barker J, Sharp M, Penkman KEH, Haile J, Taberlet P, Gilbert MTP, Casoli A, Campani E, Collins MJ. Ancient biomolecules from deep ice cores reveal a forested southern Greenland., 2007, 317(5834): 111–114.

[42] Haile J, Froese DG, Macphee RDE, Roberts RG, Arnold LJ, Reyes AV, Rasmussen M, Nielsen R, Brook BW, Robinson S, Demuro M, Gilbert MTP, Munch K, Austin JJ, Cooper A, Barnes I, Möller P, Willerslev E. Ancient DNA reveals late survival of mammoth and horse in interior Alaska., 2009, 106(52): 22352– 22357.

[43] Pedersen MW, Ruter A, Schweger C, Friebe H, Staff RA, Kjeldsen KK, Mendoza MLZ, Beaudoin AB, Zutter C, Larsen NK, Potter BA, Nielsen R, Rainville RA, Orlando L, Meltzer DJ, Kjær KH, Willerslev E. Postglacial viability and colonization in North America's ice-free corridor., 2016, 537(7618): 45–49.

[44] Pedersen MW, De Sanctis B, Saremi NF, Sikora M, Puckett EE, Gu ZQ, Moon KL, Kapp JD, Vinner L, Vardanyan Z, Ardelean CF, Arroyo-Cabrales J, Cahill JA, Heintzman PD, Zazula G, MacPhee RDE, Shapiro B, Durbin R, Willerslev E. Environmental genomics of Late Pleistocene black bears and giant short-faced bears., 2021, 31(12): 2728–2736.e8.

[45] Gelabert P, Sawyer S, Bergström A, Margaryan A, Collin TC, Meshveliani T, Belfer-Cohen A, Lordkipanidze D, Jakeli N, Matskevich Z, Bar-Oz G, Fernandes DM, Cheronet O, Özdoğan KT, Oberreiter V, Feeney RNM, Stahlschmidt MC, Skoglund P, Pinhasi R. Genome-scale sequencing and analysis of human, wolf, and bison DNA from 25,000-year-old sediment., 2021, 31(16): 3564–3574.e9.

Exploring the evolution of archaic humans through sedimentary ancient DNA

Wanjing Ping, Yichen Liu, Qiaomei Fu

Recent success in the retrieval of nuclear DNA of ancient humans and animals from cave sediments paves the way for genome-wide studies of past populations directly from sediments. In three studies, nuclear genomes of different species were obtained from the sediments of multiple archeological caves and their genetic histories were revealed, including an unknown population replacement of Neanderthals from Estatuas cave in Spain, which was recovered using a new DNA capture approach. By extending sediments as a source of DNA beyond fossils, this breakthrough is of particular significance to the field of ancient human genomics, which brings about more possibilities for exploring the history of past population migration, evolution and adaptation within larger time-scales and geographical areas where no fossil remains exist. Here, we mainly review the significance of the technical advances in retrieving ancient nuclear DNA from sediments and present new insights into the genetic history of Neanderthals revealed by this technique. By combining ancient genomes retrieved from fossils and additional mitochondrial DNA extracted from sediments of archaeological sites, we may begin investigating diverse archaic populations and examine their genetic relationships, movements and replacements in detail.

sedimentary ancient DNA; nuclear genomes; archaic humans; Neanderthals; Denisovans; hybridization capture; probe-set; population replacement

2022-02-14;

2022-03-11;

2022-03-31

国家自然科学基金杰出青年基金(编号：41925009)，中国科学院项目(编号：YSBR-019，XDB26000000)和腾讯基金会(科学探索奖)资助[Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 41925009), the Chinese Academy of Sciences (Nos. YSBR-019, XDB26000000), and the Tencent Foundation (through the XPLORER PRIZE)]

平婉菁，硕士，科研助理/工程师，研究方向：实验技术。E-mail: pingwanjing@ivpp.ac.cn

付巧妹，博士，研究员，研究方向：演化遗传、群体遗传。E-mail: fuqiaomei@ivpp.ac.cn

10.16288/j.yczz.22-032

(责任编委: 张蔚)