讲座纪要丨古DNA与人类历史

2021年12月17日上午，北京大学考古文博学院研究员宁超老师在红五楼5201为北京大学考古文博学院师生带来了题为《古DNA与人类历史》的讲座。

本次讲座内容大体可分为三个部分，第一部分为群体遗传学理论基础，第二部分为如何应用DNA研究人类历史，第三部分为古DNA研究的发展历史、现状以及一些古DNA研究的实例。

一

讲座伊始，宁超老师首先详细介绍了DNA的定义与结构、DNA突变以及遗传漂变和自然选择等导致不同人类个体之间存在遗传差异的因素。

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DNA的定义与结构

图 1  DNA的结构

DNA是生物体一切遗传信息的载体，它通过转录得到mRNA并通过翻译合成蛋白质来执行生物体特定的功能。人的肤色、发色等表型的不同均与DNA的遗传差异有关。

DNA的结构由沃森和克里克在1953年首次确认：DNA双螺旋结构主要通过酯键交替连接脱氧核糖和磷酸基而成，脱氧核苷酸主要由腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）四种碱基构成。不同碱基对在DNA双螺旋结构上的排列组合导致了不同生物体间DNA的区别。

群体遗传学在生物体演化动力的基础上，研究生物体等位基因分布频率的改变。演化的动力包括自然选择、突变、遗传漂变、基因流等。通过比较不同个体间DNA序列的差异，从而确定不同个体间遗传距离的远近。

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导致遗传差异的因素

生物体演化的压力（导致生物体遗传差异的主要因素）为DNA突变（Mutation），此外，遗传漂变（Gene Drift）、自然选择（Natural Selection）、性选择（Sexual selection）以及隔离（Barrier）等因素也会进一步修饰不同个体间的遗传差异。

图 2  单核苷酸多态性（SNP）

以单核苷酸多态性（SNP）为基础的点突变（mutation）是群体遗传学研究中最常应用的遗传标记，也是导致遗传差异与人群分化的主要因素。单核苷酸多态性是指DNA中特定位置的碱基发生改变 （图2）。不同人群在适应不同环境的过程中会产生适应性的基因突变，导致不同纬度地区人群的遗传多样性。基因突变每个代际单个碱基的突变率是1.0-1.5×10^-8，这样每个代际通过配子直接传给下一代的突变约为30个。

个体间亲缘关系越近，基因差异越小。同卵双胞胎的基因差异为0；不相关的人类个体间每1000个碱基存在1个碱基差异；人类与黑猩猩之间每隔100个碱基存在1个碱基差异；人类与老鼠之间每隔3-6个碱基存在1个碱基差异。考虑到每个人的基因组由30亿碱基对组成，不同人类个体之间的单核苷酸突变（SNPs）的差异数量约为300万，这样的基因差异是群体遗传学进行人群探源分析、人群混合分析、人群混合时间溯源分析的遗传基础。实际上，在类人猿家族成员中，人类个体间的基因差异最小，这可能是因为人类有更强的迁徙能力以及不同人群之间的相互混血。

除突变外，遗传漂变、自然选择等，遗传隔离也会导致人群间的基因差异，形成群体亚结构。遗传漂变（Gene Drift）是指每一代配子产生过程当中等位基因频率发生的改变（特定基因的丢失与富集）。在自然选择（Natural Selection）的作用下，有利生存的基因频率增加，从而增强人对自然的适应性。存在隔离（Barrier）的人群，无论是地理隔离人群还是生殖隔离人群，之间由于缺乏杂交与混合，基因差异呈现随代际传递而呈现增大的趋势。

二

在方法部分，宁超老师介绍了应用DNA研究人类历史的步骤以及通过DNA进行群体遗传学研究时主要应用的几种遗传标记。

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应用DNA研究人类历史的步骤

图 3  应用DNA研究人类历史的步骤

DNA研究大体上可以概述为：样本的获得（采样），DNA的提取、测序以及数据分析三个步骤。

首先是样本的采集。采样材料包括现代样本与古代样本。现代样本一般DNA保存较好，与机体有关的任何有机物都可以作为样本材料，如头发、指甲、皮屑等。相对比之下，古DNA材料由于长埋于地下，DNA一般都高度降解，一般会选取牙齿和颞骨等骨骼比较致密的部位作为首选材料。

技术处理上，主要是应用分子生物学的方法对不同样本中的DNA进行提取以及DNA测序等实验步骤。古DNA湿实验是古DNA研究中非常重要的一个环节，实验环境以及实验操作人员的操作手法都是古DNA避免外源污染必不可少的关键环节。

数据分析方面，由于目前古DNA研究都是基于全基因组或者是基因组上高密度位点的测序，产生海量的数据，并且获得的数据不仅仅包括人的DNA，还包括环境微生物、真菌等DNA，因此往往需要借助大型计算机进行大数据处理。数据降维分析是古DNA数据分析的基础手段，比如主成分分析，尽管主成分分析的分辨率有限，但它能直观地展示不同人群之间的遗传差异，为后期人群基因组大数据建模分析提供参考。

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DNA分析的遗传标记物

图 4 线粒体DNA

群体遗传学研究中常用的分子标记包括包括线粒体DNA、Y染色体DNA和常染色体DNA三种。

线粒体DNA为小型环状结构，长度仅为16569bp，但在每个细胞中的数量较多，因此相较于Y染色体和常染色体更容易被获取。由于线粒体在遗传的过程中不经过基因重组，且只能通过母亲遗传给下一代，因此可被用于追溯母系遗传的历史。

Y染色体DNA是细胞核DNA的一部分，包含约6000万个碱基对。Y染色体只能由父亲遗传给儿子，在遗传过程中也有部分区域不发生基因重组，Y染色体上这一部分序列可用于追溯父系遗传历史。

常染色体DNA为细胞核DNA，约有30亿个碱基对。常染色体为双性遗传，因此每一代都经过一次DNA重组，因此反映的是更为复杂的祖先成分。

图 5 人类起源的四种假说

利用上述遗传标记，在考古研究中可进行古人类个体性别判定、人群起源以及人群混合时间等问题。如在人类起源的讨论中，线粒体DNA研究的非洲夏娃假说与Y染色体的人群溯源都支持人类起源非洲说，而常染色体则表现出更加复杂的遗传模式，所有东亚现代人体内都有约2%左右的尼安德特人和丹尼索瓦人的混血。

三

在第三部分，宁超老师对目前古人类DNA的研究发展历程进行了系统性的梳理，着重介绍了古DNA研究技术的进步以及古人类基因组研究的最新发现。

01

古人类DNA研究

目前，全世界已有大量的古人类基因组数据发表，包括大家所熟知的尼安德特人与丹尼索瓦人的基因组也已经做了大量报道。

图 6  代表性古人类化石的地理分布

尼安德特人的基因组数据研究表明，非非洲人与非洲人相比，在遗传上与尼安德特人共享更多的等位基因频率，而且非洲之外人群相互之间没有明显的尼安德特人的基因流的差异，说明现代人祖先在走出非洲之后，可能很快就遇到了尼安德特人，并且和尼人进行了混血，所以在现代人祖先分化后，这些人体内都含有尼安德特人的基因贡献。

丹尼索瓦人是已经灭绝的古人类的一个分支，在旧石器中晚期的时候遍布于亚洲大陆，关于丹尼索瓦人存在的证据大部分来自古DNA证据，至今为止没有完整的化石可以直接通过形态学鉴定来命名丹尼索瓦人。

丹尼索瓦人的首次鉴定发生于2010年，基于西伯利亚阿尔泰山中的丹尼索瓦洞穴中出土的未成年女性指骨的线粒体DNA研究，核DNA研究进一步表明丹尼索瓦人是尼安德特人的近亲。更多的来自丹尼索瓦洞穴的样本表明，尼安德特人和丹尼索瓦人曾交替在丹尼索瓦洞穴中出现，但是现在仍不清楚丹尼索瓦人和尼安德特人是否在丹尼索瓦洞穴中共同生活过。有趣的是，对2008年丹尼索瓦洞穴出土的距今9万年骨骼碎片的DNA研究表明，此个体含有一半的丹尼索瓦人基因以及一半的尼安德特人基因，换句话说，其母亲为尼安德特人，父亲为丹尼索瓦人。

另外一个有意思的研究是对爱尔兰距今5000年的纽格莱奇墓的基因组分析，结果表明其中一个贵族男孩是由乱伦产生的后代，这种乱伦或近亲婚配行为可能是保持该贵族家庭地位和财产的方式，对于我们理解史前人类的迁徙以及古代社会的结构具有深远的意义。

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什么是古DNA

关于古DNA的概念，宁超老师向大家介绍了什么是古DNA、古DNA样品的来源，并着重介绍了古DNA相对于现代DNA的四大特点。

概念与来源

古DNA，是指从考古材料、化石材料、博物馆材料中取得的DNA。古DNA的定义范围很广，一些陈旧性的样本，如在法医学中保存数年的血样的DNA也可被称为古DNA。

古DNA材料的来源多样，包括人骨、牙齿、毛发等。颞骨以其致密性使保存在其内的DNA不易降解，是古DNA的良好来源。经多方面比较研究，颞骨中特定部位保存的古DNA含量有时可达牙齿或其他部位的几十甚至上百倍。目前经过国际的努力，人体各个部位所能保存的古DNA含量已经基本测明，这有助于后续的研究者选择合适的采样部位，降低了测序时间与成本。

特点

内含量低

古代样本长期埋藏在地下或暴露于地表，受到环境中氧化、水解等因素的影响，DNA降解严重，因此提取到的DNA不仅包含内源性的DNA，也包括周边环境中的细菌、真菌和微生物的DNA，这使得内源DNA含量低，就目前研究来看，古DNA内源序列的含量一般为3%。此外酸性土壤以及潮湿闷热的环境不利于DNA的保存，故非洲和中国南方的古DNA样品保存一般较差。

针对考古样品DNA内含量低的问题，分子生物学中一般采用DNA探针捕获技术对目标DNA片段进行富集，也即大家熟知的DNA“钓鱼”技术。通过DNA富集技术，我们可以在可控成本的前提下获得足够量的内源DNA进行群体遗传学分析。

片段末端存在广泛损伤

古DNA片段末端一般存在着广泛的损伤，其成因是由于胞嘧啶的脱氨基作用，使得在DNA扩增过程中胞嘧啶被转换为胸腺嘧啶，造成了基因突变的假象。这种损伤模式在PCR扩增过程中是致命的，通常导致DNA扩增的失败，高通量测序通过加上通用序列的方式使得整个古DNA片段序列均被获取，通过检测损伤可以判断古DNA测序的成功与否，同时也可以进行古DNA污染的判定和排除。

损伤随时间积累

古DNA的损伤会随着时间的推移逐渐积累，大体上与时间呈正相关趋势，但也有特殊的例外情况。

高度降解并且碎片化

古DNA由于长期受到环境中各种理化因素的影响，其片段通常高度碎片化。即便是距今一两百年的样本，其DNA片段一般也会断裂成平均60bp到80bp左右的小片段，很少有均长超过100bp的片段存在。但在做PCR的过程中，片段长度300~400bp左右的序列更容易被扩增，这也是古DNA污染容易引入现代人污染的一个主因。

由于古DNA以上的特点，过去很长一段时间里古DNA研究发展比较缓慢，如何排除污染问题一直是古DNA研究的重中之重。

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古DNA学科发展史

古DNA的研究的发展历程大致可分为以下三个阶段。

萌芽阶段（1980-1985）

1980年，湖南医学院对2000年前长沙马王堆的汉代女性进行核酸的提取是国际上古DNA研究最早的尝试，但因未对提取到的核酸进行测序，因而没得到国际社会的公认。国际公认的第一例古DNA研究为1984年Higuchi等人对灭绝的斑驴DNA的提取，研究人员获得了229bp的线粒体DNA序列；同年稍晚，Pääbo等获取了3.45kb埃及木乃伊的DNA片段的序列。在这一时期，DNA测序还依赖于分子克隆技术，测序成本高，耗时长。

发展阶段（1986-2005）

图 7 超净实验室

随着PCR技术（聚合酶链式反应技术）的发展，使DNA序列在短时间内大量扩增，古DNA的研究对象逐渐从线粒体DNA转向核DNA，研究材料也从人类样本逐渐扩大到其他的物种，尤其是对各种古生物化石的DNA提取，例如象鼻虫、猛犸象乃至距今几千万年的恐龙化石均有成功提取DNA的报道。

然而，1994年对上述研究成果进行重复验证，发现所有研究均无法在重复实验中复现，表明当时获得的古DNA序列均来自于现代DNA的污染，这导致古DNA研究在1995年至2000年左右进入了至少5年的低谷期。

成熟阶段（2006至今）

自2006年起，伴随着高通量测序（二代测序）技术的应用，古DNA研究进入到一个相对成熟的阶段。高通量测序技术完美解决了PCR扩增过程中由于DNA片段过短而无法扩增的问题，并且能短时间内对海量的DNA片段进行扩增，大大降低测序成本和测序时间，这使得古DNA全基因组测序成为可能。首次报道的古人类全基因组测序发生于2010年，以尼安德特人基因组序列为代表。自此，由于古人类全基因组测序在人群迁徙和混合方向研究的超高分辨率，逐渐成为研究人类历史的新的强有力的手段，古DNA研究也呈现出爆发式增长，截止当前，国内外已经发表的古人类基因组数据合计超过了6000例。

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古DNA研究的现状与成果

图 8  已知古人类基因组分

目前为止，欧洲古人类DNA研究表明，现代欧洲人大体上由三种主要的遗传成分组成：其一是农业到来以前，欧洲本土狩猎采集人群的基因成分；其二是近东农业人群的基因成分，距今9000年左右，近东农业人群向西扩张，不仅将农业技术带到欧洲，同时也在扩张的过程中与当地狩猎采集人群进行了不同比例的混合；其三是随着距今5300年前欧亚草原游牧人群向欧洲扩张，与欧洲农业人群进行混合带来的基因成分。

古DNA研究除了对人群进行遗传溯源以外，还可以估算人群混合发生的年代以及个体间亲缘关系的研究。以新疆塔里木盆地小河人群为例，由于塔里木盆地严苛的地理环境造成了小河人群相对的遗传隔离，尽管小河墓地年代距今为3800年左右，小河墓地早期人群的DNA代表了东北亚地区自冰期以来比较根部的遗传成分，其形成年代经估算为距今9000年左右，因此不支持之前认为的小河人是草原游牧人群以及欧洲人后裔的假说。Y染色体研究同样不支持小河人和草原游牧人群的遗传联系。此外，小河人群间的基因多样性极低，表明人群经历了长时间的遗传隔离，人群经历了较强的瓶颈效应。

古DNA还可以用来估算不同个体间的亲缘关系以及通过单个人的基因组来评估个体父母之间的亲缘关系的远近。以距今4800年前波兰南部一个多人墓葬的基因组研究为例，被埋葬的15个个体均来自一场屠杀，他们大多是妇女儿童，死亡方式一致，很可能是在被俘虏之后被逐一处决。这15个个体包括三个核心家庭，并且这些个体的埋葬均按照其家庭结构而埋葬在一起，很明显，埋葬他们的人很熟悉这些个体之间的亲缘关系。有意思的是，三个核心家庭中有一名男性成员没有在墓葬中发现，可能就是这个人由于外出等原因免于屠杀，在屠杀完成之后回到当地对遗体进行精心掩埋。

最后，宁超老师还对同学们关于残留物DNA研究、DNA的参考序列等问题进行了详尽解答。

文稿丨冉智宇

摄影丨冉智宇

编辑丨龚梓桑

审核丨宁超

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