解鎖冰河時代東亞人群遺傳圖譜和適應性基因演化

樣本地理位置和年代信息

末次盛冰期前后的東亞北部人群動態(tài)示意圖
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)中國科學院古脊椎動物與古人類研究所：談到幾萬年前的冰河時期，我們立即會聯(lián)想到動畫電影系列“冰河時代”中古代人類形象和當時與其共存的冰河猛犸象、劍齒虎等已滅絕動物的時代卡通形象。我們也會不禁追問到，東亞當時的人群東亞人是如何生活的，他們跟我們有什么區(qū)別嗎？遺傳應性演化研究表明，冰河時期尤其是圖譜末次盛冰期的氣候變化對歐洲人群的遷徙和種群大小變化構成影響，考古證據(jù)表明其對亞洲高緯度和高海拔地區(qū)的和適人群歷史也有類似的影響，但缺少相關的解鎖基因遺傳學證據(jù)與針對性研究。在這一時期，冰河尤其是時代末次盛冰期前后的東亞北部人群是否因氣候的劇烈變化而發(fā)生相應人群的更替或遷徙交流？東亞人群是否攜有與這一時期環(huán)境適應性相關的特有基因？這些都是關于東亞人遺傳構成亟待探索而頗具挑戰(zhàn)的關鍵問題。 
2021年5月27日，東亞中國科學院古脊椎動物與古人類研究所付巧妹團隊與云南大學張虎才研究組（第一作者為中科院古脊椎所毛曉偉副研究員，人群通訊作者為中科院古脊椎所付巧妹研究員和云南大學張虎才教授）合作在Cell雜志在線發(fā)表了題為“The 遺傳應性演化deep population history of northern East Asia from the Late Pleistocene to the Holocene”的文章。團隊對東亞北部人群的圖譜古基因組開展了研究，系統(tǒng)繪制出四萬年來東亞北部人群的群體動態(tài)演化圖譜，為探究東亞北部人群的適應性遺傳變異情況及相關基因的選擇機制提供了新的思路和證據(jù)。
一、迄今東亞時間跨度最長的古基因組研究 
該研究通過最前沿的古基因組實驗技術，獲取我國東北地區(qū)黑龍江省距今33000-3400年的25個早期人類樣本的古基因組數(shù)據(jù)（其中11例個體超過1萬年），涵蓋了整個末次盛冰期，填補了東亞北部人群遺傳歷史的相關時間斷層。另外，研究還結合了田園洞人（付巧妹團隊此前從我國北京四萬年前的田園洞人化石中獲取的中國以至東亞最古老現(xiàn)代人的基因組序列）展開演化遺傳學與群體遺傳學分析，將時間跨度延展到距今四萬年到三千年。這里指的末次盛冰期約在2.65萬年前開始，一直持續(xù)到約1.9萬年前，這是距現(xiàn)在最近的極寒冷時期。
二、末次盛冰期之前的東亞北部人群 
該研究指出生活在末次盛冰期前、距今約3.3萬年的AR33K個體與距今4萬年田園洞人的遺傳成分相似。這表明在末次盛冰期之前，田園洞人相關人群在東亞北部廣泛存在。
三、末次盛冰期末期出現(xiàn)最早的東亞古北方人群
為進一步探究末次盛冰期氣候變化如何影響東亞北部人群，該研究針對生存在末次盛冰期末期、距今1.9萬年的AR19K個體的古基因組展開分析。這是東亞首例末次盛冰期前后的人類基因組，其數(shù)據(jù)表明在末次盛冰期前后（1.9萬年）東亞北部人群發(fā)生了特殊變化，即之前廣泛存在的田園洞人相關人群可能消失，東亞古北方人群此時已在黑龍江出現(xiàn)。這一結果將此前研究所發(fā)現(xiàn)的東亞南北方人群遺傳分化的時間（9500年前）前推了近萬年。 
四、末次盛冰期之后的東亞北部人群
末次盛冰期之后，東亞北部人群的流動情況又是如何？本研究通過獲取末次盛冰期之后黑龍江地區(qū)的16例個體基因組數(shù)據(jù)（距今約1.4-0.9萬年），發(fā)現(xiàn)黑龍江流域人群的遺傳連續(xù)性可能早在1.4萬年前就已經(jīng)開始，這比此前假說所提出的時間向前推進了6000年。該結論與黑龍江地區(qū)陶器和玉器最早出現(xiàn)在1.5萬年前的考古記錄相符。另外，本研究發(fā)現(xiàn)生活在末次盛冰期后、距今1.4萬年前的AR14K個體更符合古西伯利亞人群（美洲之外與美洲原住民最相關的人群）所混有東亞祖源成分的來源。
五、東亞北部人群的適應性遺傳變異
研究對東亞北部人群的適應性遺傳變異情況也展開探索。此前研究發(fā)現(xiàn)其EDAR基因的V370A突變與東亞典型體征如更粗的毛發(fā)、更多的汗腺和鏟形門齒有關，因此理解其自然選擇機制，對研究東亞人群的適應性變異至關重要。本研究通過對大規(guī)模的古東亞人群基因組研究，更直接、深入地揭示出該基因的出現(xiàn)時間和可能的選擇機制。研究發(fā)現(xiàn)，除田園洞人及末次盛冰期之前的AR33K個體以外，EDAR基因的V370A突變出現(xiàn)在包括AR19K在內(nèi)的所有已知的古東亞人群之中。這一結果表明，EDAR基因的V370A突變率在末次盛冰期快結束或之后不久的時間里可能升高，該結論也使得所估算EDAR突變基因出現(xiàn)時間的上限提早并更為精確。
隨著古基因組技術與遺傳學分析手段的不斷進步，及國內(nèi)專業(yè)團隊與考古機構多方、跨學科合作的大力開展，針對東亞人群的古基因組研究已然迎來飛速發(fā)展的時刻。本研究首次在東亞地區(qū)開展跨度為四萬年的大規(guī)模人類古基因組研究，且首次利用古基因組在適應性方面探究東亞人群重要表性特征的演化來源，揭示出東亞北部距今40000-3400年的的人群動態(tài)遺傳歷史，并為進一步探索東亞人群與環(huán)境的關系提供了重要遺傳學證據(jù)。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.040
相關報道：解鎖東亞人的“哲學三問” 研究揭示冰河時代東亞人群遺傳和適應性基因演化
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)中國科學報（韓揚眉 崔雪芹）：我是誰？我從何而來？我將去何處？東亞人將如何回答這“哲學三問”？
中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員付巧妹團隊與云南大學教授張虎才團隊合作研究了東亞北部人群的古基因組，系統(tǒng)繪制出4萬年來東亞北部人群的群體動態(tài)演化圖譜，為探究東亞北部人群的適應性遺傳變異情況，以及相關基因的選擇機制提供了新的思路和證據(jù)。日前，相關成果發(fā)表于《細胞》。
“我”是誰？
研究表明，冰河時期尤其是末次冰盛期的氣候變化，對歐洲人群的遷徙和種群大小變化構成影響。考古證據(jù)表明，其對亞洲高緯度和高海拔地區(qū)人群的演進歷史也有類似影響，但缺少相關的遺傳學證據(jù)與針對性研究。
在這一時期，尤其是末次冰盛期前后，東亞北部人群是否因氣候的劇烈變化而發(fā)生相應人群的更替或遷徙交流？東亞人群是否攜有與這一時期環(huán)境適應性相關的特有基因？在付巧妹看來，這些都是關于東亞人遺傳構成亟待探索而頗具挑戰(zhàn)性的關鍵問題。
末次冰盛期約在2.65萬年前開始，一直持續(xù)到約1.9萬年前，是距今最近的極寒冷時期。
自2016年開始，付巧妹團隊通過前沿的古基因組實驗技術，獲取了我國東北地區(qū)黑龍江省距今3.3萬年至3400年的25個早期人類樣本的古基因組數(shù)據(jù)，其中有11例樣本超過1萬年。
這些樣本涵蓋了整個末次冰盛期，填補了東亞北部人群遺傳歷史的相關時間斷層。此外，研究人員在我國北京4萬年前的田園洞人化石中，獲取了中國乃至東亞最古老現(xiàn)代人的基因組序列，并對其展開演化遺傳與群體遺傳學分析，時間跨度從4萬年前到3000年前。
“我”從哪里來？
從古基因組中，研究人員描繪出末次冰盛期前后，東亞北部人群是如何動態(tài)演化的。
研究表明，生活在末次冰盛期前、距今約3.3萬年的東亞北部人群個體與距今4萬年的田園洞人的遺傳成分相似，即在末次冰盛期之前，田園洞人相關人群在東亞北部廣泛存在。
為進一步探究末次冰盛期氣候變化如何影響東亞北部人群，研究人員分析了生存在末次冰盛期末期、距今1.9萬年的東亞北部人群個體的古基因組。
“這是東亞首例末次冰盛期結束前后的人類基因組，其數(shù)據(jù)表明在1.9萬年前的末次冰盛期前后，北部發(fā)生了人群特殊變化，即之前廣泛存在的田園洞人相關人群可能消失，而東亞北方的古人群此時已在黑龍江出現(xiàn)。”付巧妹表示。
這一結果將此前研究所發(fā)現(xiàn)的東亞南北方人群遺傳分化的時間，從9500年前向前推了近萬年。
末次冰盛期之后，東亞北部人群的流動情況又如何？
“通過獲取并分析末次冰盛期之后黑龍江地區(qū)16例個體基因組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)黑龍江流域人群的遺傳連續(xù)性可能早在1.4萬年前就已經(jīng)開始。這比此前假說所提出的時間向前推進了6000年。”中國科學院古脊椎動物與古人類研究所副研究員毛曉偉表示。
這一結論與黑龍江地區(qū)陶器和玉器最早出現(xiàn)在1.5萬年前的考古記錄相符。
此外，該研究發(fā)現(xiàn)，生活在末次冰盛期后、距今1.4萬年的東亞北部人群個體更符合古西伯利亞人群所混有的東亞祖源成分的基因來源，西伯利亞人群是除美洲之外與美洲原住民最相關的人群。
“我”到哪里去？
東亞北部人群是如何演化的？研究人員對東亞北部人群的適應性遺傳變異情況也展開了探索。
此前研究發(fā)現(xiàn)，其EDAR基因的V370A突變與東亞典型體征——如更粗的毛發(fā)、更多的汗腺和鏟形門齒有關。科學家認為，其自然選擇機制對研究東亞人群的適應性變異至關重要。
該研究通過對大規(guī)模的古東亞人群基因組的研究，更為直接、深入地揭示了該基因的出現(xiàn)時間和可能的選擇機制。
研究發(fā)現(xiàn)，除田園洞人及末次冰盛期之前的AR33K個體以外，EDAR基因的V370A突變出現(xiàn)在包括AR19K在內(nèi)的所有已知的典型古東亞人群之中。
這一結果表明，EDAR基因的V370A突變率在末次冰盛期階段或之后不久的時間里可能升高，該結論也使得所估算EDAR突變基因出現(xiàn)時間的上限提早并更為精確。
該研究是首次在東亞地區(qū)開展跨度為4萬年的大規(guī)模人類古基因組研究，且首次利用古基因組在適應性方面探究東亞人群重要表性特征的演化來源，揭示東亞北部距今3.3萬年至3400年的人群動態(tài)遺傳歷史，為進一步探索東亞人群與環(huán)境的關系提供了重要遺傳學證據(jù)。
付巧妹表示，隨著古基因組技術與遺傳學分析手段的不斷進步，國內(nèi)專業(yè)團隊與考古機構多方、跨學科合作的大力開展，針對東亞人群的古基因組研究迎來飛速發(fā)展的時刻。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.040