从木乃伊到古基因组学：是什么使我们成为独一无二的人类

沈曲 王传超

2022年诺贝尔生理学或医学奖授予瑞典科学家斯万特·帕博（Svante P？？bo），以表彰他在已灭绝古人类基因组和人类演化领域中的贡献。自20世纪80年代以来，帕博就致力于从遗传学角度探索人类演化历史。从发表已灭绝的古人类尼安德特人的全基因组草图，到通过古DNA发现从未被识别的已灭绝古人类——丹尼索瓦人，帕博从古人类遗骸中提取DNA并测序，为理解古人类关系提供了一种比形态学更准确有效的方法，突破了以往对人类演化史的认知，通过比较现代人与已灭绝古人类的基因差异和联系，揭示“我们与已灭绝古人类有什么关系”，创造性地回答了“我们因何为人”这个看似天方夜谭的命题，也将现代人类的“晚近非洲起源说”修正为“晚近非洲起源且附带杂交说”。经过30多年的努力，帕博开创的学科——古基因组学已有了成熟化、标准化的研究体系，并逐渐成为一个应用广泛、极有发展前景的领域。

从木乃伊到尼安德特人

帕博1955年出生于瑞典，其父母都是科学家，母亲卡琳·帕博（Karin P？？bo）是一名爱沙尼亚化学家，父亲苏恩·伯格斯特龙（Sune Bergstr？m）是瑞典著名生物化学家，曾于1982年获得诺贝尔生理学或医学奖。帕博在斯德哥尔摩长大，他回忆童年时常与伙伴们在森林里玩“石器时代”游戏、收集上千的陶器碎片。母亲曾三次带他去埃及旅行，同所有孩子一般，帕博被木乃伊和金字塔深深吸引。

儿时经历让帕博自小就对埃及学、考古学等深深着迷，他甚至在本科阶段选择埃及学作为专业。在乌普萨拉大学攻读博士学位期间，帕博主修腺病毒，但又忍不住涉猎老本行埃及学。他曾在回忆录中写道：“我对古埃及的浪漫迷恋挥之不去”。当时，分子克隆技术兴起，帕博通过阅读文献了解到当时还无人尝试从古人类遗骸中提取DNA，思绪飘回漫天黄沙的古埃及，他知道埃及博物馆中保存有数以千计的木乃伊。帕博找到可做实验的木乃伊样本后，便利用课余时间尝试从中提取DNA。将分子克隆技术运用于木乃伊，是令人耳目一新的尝试，其面临的最大挑战是，仍不清楚历经千年的人类遗骸中是否还有DNA的存在。强烈的探索热情驱使他深入研究，他也真的在一具2400年前木乃伊的组织上看到了细胞核发出的标记荧光，这说明木乃伊中有DNA存在。最终，他撰写的从木乃伊中成功提取DNA的论文于1985年在《自然》（Nature）杂志上发表[1]。这项研究证明古人遗骸中仍有DNA存在，并且这些DNA片段可以被克隆和测序。这个成功的开端激励了帕博，他想做的不仅是获取木乃伊的DNA序列，更重要的是，他想借此研究古埃及人群的遗传历史，这是一段空白。但当时由于技术限制，现代人DNA污染问题难以解决，对结果的真实性有着较大干扰，帕博没能继续这项研究。

但从木乃伊生发的由古DNA研究族群历史的想法并未中断，反而生根发芽，被帕博运用在对已灭绝古生物的研究中。1987年，帕博进入加州大学伯克利分校艾伦·威尔逊（Allan Wilson）实验室做博士后，应用新兴的聚合酶链式反应（PCR）技术，从事已灭绝动物的基因研究，在树獭、洞熊、恐鸟、猛犸象等物种的研究上取得一系列成果。帕博表示，在威尔逊实验室他才得以真正地研究开发古DNA技术，但通过古DNA研究人类历史演进一直是其心系多年的梦想。1990年，帕博回到欧洲，成为慕尼黑大学教授，又于1997年在德国莱比锡成立马克斯·普朗克进化人类学研究所，他的研究对象也重新回到古人，这一次他把目光聚焦到现代人已灭绝的旁系亲屬——尼安德特人（简称尼人）。同年，帕博等从德国的尼人化石中成功提取线粒体高变区HVRI的379碱基对的DNA片段，通过严格的对照组实验证实了内源性DNA的真实存在[2]。帕博将其与现代人的序列比较后，发现尼人十分特殊，他们的线粒体DNA序列在现代人的变异范围之外，这表明尼人在灭绝前并未向现代人贡献线粒体。但此结果只是基于个体的线粒体序列，并不排除尼人为现代人贡献其他DNA的可能性。

对尼人的研究并未止步于线粒体。随着二代测序技术出现、人类基因组计划工作草图的发表，帕博等于2010年发表了来自3个尼人个体超过40亿个核苷酸的尼人全基因组草图，证明其曾与现代人发生过基因交流[3]。长久以来有关现代人是否与尼人杂交的争论，因遗传学证据而画上了圆满句号。该研究中，帕博及其团队将尼人基因组与来自世界不同地区的5个现代人进行比较，发现相比于现代撒哈拉以南的非洲人，尼人与欧亚大陆现代人共享更多遗传突变，这表明与非洲人群分离后，现代人在欧亚大陆与尼人发生混血，非洲以外现代人约有1%～4%的基因源自尼人。帕博团队还识别出现代人的祖先基因组里与新陈代谢、认知能力和骨骼发育等相关的一些遗传片段受到正向选择的影响，这也为回答“我们如何成为我们”打开了一个新的窗口。

从木乃伊起步，到解密尼人DNA密码，帕博持续点燃世界的想象力，直到又一次扔下“重磅炸弹”——发现另一种对现代人有基因贡献的已灭绝古人类。2010年，帕博率团队从阿尔泰山丹尼索瓦山洞发现的一节指骨化石中提取到线粒体DNA并测序，发现这是一种迄今未知的古老人类，虽然这一未知古人类与现代人及尼人拥有共同祖先，但相比于尼人与现代人之间约200个核苷酸的差异，这种古人类与现代人之间的核苷酸差异则近400个，或表明现代人与他们共祖的时间约为与尼人的2倍[4]。同年，帕博团队与戴维·赖克（David Reich）团队合作再对这块指骨的核基因组进行分析，发现他与尼人亲缘关系更近，互为姐妹群，他们的共同祖先与现代人祖先分离后，两者再相互分离[5]。该研究还发现该人群为美拉尼西亚人群贡献了约4.8%的基因。至此，这个新的人群根据发现地点被正式命名为“丹尼索瓦人”（简称丹人），他们可能于晚更新世时期在亚洲广泛存在。这也是第一例由DNA确认的古人类。后期，帕博等又发表了更高覆盖度的丹人核基因组数据，发现其与尼人也曾发生过基因交流，并进一步探索了其与尼人及现代人之间的关系[6，7]。

站在巨人肩膀上向前一步

帕博的研究取古人类学、遗传学所长，他细致地观察牙齿、骨骼、皮肤组织甚至粪便，逐一攻克多种生物的基因密码。帕博在古基因组学上的斐然成就有他个人的努力，同时也离不开先驱们在相关理论及技术上的杰出贡献，帕博是站在巨人肩膀上开启新征程。帕博的导师威尔逊率先把PCR和DNA测序引入生物演化研究，是重建生物谱系的先驱和开拓者。但威尔逊的研究，如解密现代人起源的DNA密码、探索疾病与基因调控的关系等，仍处于横向比较的“二维角度”。而帕博则从古人DNA角度切入，为人类生物谱系研究引入时间维度，使其发展为“三维”，从此可观察人类DNA在时间尺度上的发展演化，以及相关疾病的遗传历史。

古DNA相关研究的开展还依托技术的进步。古DNA技术的发展经历三次革命。分子克隆技术推动古DNA研究的起步，这是第一次技术革命，该技术将古DNA在宿主菌中增殖后进行测序。但由于该技术所需DNA量较大而古人遗骸中的含量极少且损伤严重，导致实际克隆效率很低。

1983年，PCR技术出现，使得通过少量模板就可实现目标古DNA的大量扩增，这是第二次技术变革。1988年，帕博率先将PCR技术应用到古人类DNA研究中，对来自7000年前古人的线粒体DNA片段扩增并测序，发现了美洲原住民中未知的线粒体谱系。这一时期的研究开始基于古代样本的线粒体DNA，但PCR技术对核基因组的处理却不尽人意。

古DNA技术的第三次革命伴随二代测序技术而来，它不再是通过毛细管电泳测序，而是在序列合成过程中边合成边测序，突破了以往基于PCR扩增和毛细管电泳测序的低通量的技术瓶颈，为古DNA研究开辟了新赛道。帕博带领团队不断对扩增和测序技术进行优化，并运用在新的研究中，实现突破。2009年，他们开创了适用于捕获短片段的引物延伸捕获法（PEC），运用该方法重建了5个尼人线粒体DNA序列，发现晚期尼人的线粒体DNA的遗传多态性是现代人的1/4。已灭绝古人类丹人，也是帕博携团队通过此方法率先识别出来的。但PEC法在获取较大目标片段时存在一定缺陷，帕博等又将芯片捕获外显子方法（AHC）应用于古DNA研究，再次突破技术瓶颈，发现了现代人与尼人分离后产生的88个替代氨基酸，为基因进化、多样性等研究提供重要启示。正是基于前述技术进步和优化，2010年帕博得以重建尼人全基因组草图，并宣布现代人与尼人有过基因交流这一重磅消息。

人类古DNA研究中无法避开的另一重要问题是现代人DNA污染。当年帕博克隆木乃伊DNA时，最大的困难就在于无法鉴别其真实性。在漫长的时间中，水解、氧化等作用导致古DNA降解严重。帕博发现脱嘌呤与古DNA降解有关，且古DNA的尿嘧啶由胞嘧啶脱氨基作用诱导并随着时间推移而积累，错误编码的胞嘧啶残基引起的替换在DNA序列中的比例极高，并在分子末端大量聚集，而其他替换则很少见。结合高通量测序技术，帕博建立了评估模型，可帮助确认外源污染率，这是古基因组数据分析前的重要质控步骤。例如，在发布第一个尼人基因组草图时，帕博就使用了分别针对线粒体DNA、Y染色体和核DNA的三种方法来评估现代人DNA污染水平，证明数据代表真正的尼人DNA序列。

另外，帕博还建立超净实验室，规范古DNA实验流程。实验室通常分多个独立房间，供特定的实验步骤使用，以防止交叉污染；实验室装有空气过滤等系统，所有设备须经严格消毒处理，且每日使用紫外灯照射；实验人员必须穿戴好全身防护装备等。时至今日，他所设立的标准在全球古DNA实验室实行。在帕博的努力下，古基因组学已形成一套標准化研究体系。

建立人类古DNA地图集

古DNA研究带着时间刻度再现人类几十万年的演化与适应，不单重现已灭绝古人类，还让我们看到古人类在现代人身上留下且持续发生影响的痕迹。现代人一些重要功能基因单倍型很可能来自已灭绝的古人类。一些基因差异的功能也被深入解析，其目的都是解释什么使我们成为独一无二的人类，如与人类语言系统相关的FOXP2基因包含氨基酸编码和核苷酸多态性模式的变化，被推测是自然选择的结果。

2019年末开始席卷全球的新型冠状病毒，帕博等在研究中发现其对人体影响的严重程度也受到来自尼人遗传成分的影响[8]。他们发现3号染色体上的一个基因簇是冠状病毒感染后发展为重症的主要遗传风险因素，而该风险是由一段从尼人继承的约50碱基对的基因片段带来的。这一遗传风险在南亚和欧洲人群中较高，而对东亚和非洲人群来说几乎不存在。另外，也有其他学者的相关研究，共同揭示了已灭绝古人类对现代人的影响，如尼人的基因渗入帮助人类适应欧亚大陆寒冷环境，但其基因也可能与烟酒上瘾、抑郁症、血栓、尿道功能失常、光化性角化病等相关；再如来自丹人的 EPAS1基因突变带来高海拔适应性；还有研究表明在末次盛冰期末，与东亚人特有的铲形门齿表型相关的基因型频率升高，也许与环境适应性相关。

帕博继续“脑洞大开”，另辟蹊径地通过尼人的遗传信息，尝试复原其社会组织的建构，对此我们知之甚少。通过杂交捕获获得尼人群体的全基因组水平的数据，帕博发现至少有一些尼人个体作为小社群的一部分在一起生活过，另外Y染色体的多样性比线粒体DNA的多样性低一个数量级，也许这是社群间女性多由外来的缘故[9]。

帕博引爆的这些“重磅炸弹”，激励全世界相关科学家参与对古人类基因组信息的收集和研究中。从欧洲开始，陆续有来自亚洲、美洲、大洋洲、非洲的古基因组数据发表，目前已积累上万个古人的基因组，逐渐构成一本人类古DNA地图集，这将不同时空的人群纳入一个共同框架，实现对人群迁徙融合等事件的精细刻画，为后续研究提供重要参考。这也引发了对研究伦理的相关讨论。2021年，来自全球31个国家64位合作者共同讨论起草的人类遗骸研究伦理规范在《自然》（Nature）上发布，它提出了全球适用的五条新规则，旨在保护古人遗存并更合理地开展研究。在未来研究中，会更关注伦理，在保护的基础上进行科学研究，这将提高古DNA研究的规范性。

“无用”之用

迅速发展的理念与技术、充足经费的支持、强烈的兴趣驱动等因素，都是帕博成功的关键。但这也许是一次有争议的诺奖，因为与之前的获奖者相比，在帕博的研究中，既没有发明任何新技术，也没有得出改变人类疾病或健康的重要结果，甚至并不具备经济效益，也不能为公众带来任何便利。在这个效率至上的年代，这些让帕博的研究看起来似乎是“无用”的。

但就是这些看似“无用”的研究，帮助解答人类最强烈的追索：“我们是谁，我们从哪里来，我们要到哪里去？”实际上，人类技术进步太快，而对自身的理解却太少。帕博与其团队为生物演化历史打开了一扇新的研究之门，已灭绝的古人类甚至动物都从残存的骨骼里焕发出有血有肉的活力，向我们诉说过去发生的一切。帕博的研究也影响了世界各地的科学家们，他们共同拓宽帕博的工作，重构了在亚洲、美洲、大洋洲、非洲曾发生过的人类迁徙与融合的故事，甚至在南极的沉积物中也追踪到各类已灭绝动植物的踪影。似乎在不远的未来，我们可以实现“给我一抔土，我可以复活整个世界”的畅想。这是真正的“无用”之用。

重建尼人基因组的想法在几年前都被认为是痴人说梦。但现在，帕博做到了，并通过基因组展开全方位的研究。帕博继续天马行空，他表示有时喜欢做思想实验——尼人繁衍了约2000代就在这个星球上消失了，假如他们能继续生存直到今天，那会是怎样的一幅图景？会经历种族歧视吗？如果他们还活着，我们也许不能把自己和类人猿很好地区分开，也许人类与动物的分界会更加模糊？我们永远无法知道这些问题的答案，但帕博认为思考这些问题十分有趣，它有种特殊的魔力，可以反向促使我们更好地认识一些社会问题，也会催生新的研究问题，也许有一天就会颠覆已有的认知。帕博还想了解当代人的基因变化，他想知道为什么古人类曾经存在200万年却难以轻易穿越湖泊海洋，而现代人仅仅出现10万年，就已经登上了月球。

从埃及学、木乃伊，到找到尼人基因密码，再到发现丹人的遗传谱系，本是毫不相关的学科，但在帕博手里，用好奇心和想象力把它们串联在一起，网越织越大，把人们各种千奇百怪的疑惑都捕获在内。“走出非洲”之路原来并不简单，我们的祖先一路缔结古老的姻缘，将早已消失的同伴们的基因片段携带于身，从欧亚大陆一路走来，千万年的光阴像一道道流星在人们眼前划过，这是人类智慧的光芒，照亮我们的来时路。

[1]P？？bo. S. Molecular cloning of ancient Egyptian mummy DNA. Nature， 1985， 314（6012）： 644-645.

[2]Krings M， Stone A ， Schmitz R W ， et al. Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell， 1997， 90（1）： 19-30.

[3]Green R E， Krause J， Briggs A W， et al. A draft sequence of the Neandertal genome. Science， 2010， 328（5979）： 710-722.

[4]Krausenn J， Fu Q， Good J， et al. The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia. Nature， 2010， 464： 894–897.

[5]Reich D， Green R， Kircher M， et al. Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia. Nature， 2010， 468： 1053–1060.

[6]Meyer M， Kircher M， Gansauge M T， et al. A high-coverage genome sequence from an archaic Denisovan individual. Science， 2012， 338（6104）： 222-226.

[7]Sawyer S， Renaud G， Viola B， et al. Nuclear and mitochondrial DNA sequences from two Denisovan individuals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2015， 112（51）： 15696-15700.

[8]Zeberg H， P？？bo S. The major genetic risk factor for severe COVID-19 is inherited from Neanderthals. Nature， 2020， 587： 610–612.

[9]Skov L， Peyrégne S， Popli D， et al. Genetic insights into the social organization of Neanderthals. Nature， 2022， 610（7932）： 519-525.

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