遗传变异让安第斯人适应高地生活,晋朝基因组
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然而一些遗传学家质疑这些差异是否真的与高地生活有关。加利福尼亚大学圣克鲁兹分校生物人类学家Lars Fehren-Schmitz表示,沿海的惠里契—佩温切族人生活在安第斯山脉南部很远的地方,与古代和现代高地群落相比,他们的基因组并没有什么意义。Fehren-Schmitz认为用来估计群体何时分裂的基因变异并不是人类迁移到山区的证据,而可能是已经定居在南美洲的不同人群所携带的残余差异。

  • 采集者Huilliche-Pehuenche的64个现代基因组进行了比较。

尼安德特人曾与东亚人发生多次基因交流

研究人员在11月8日出版的《科学进展》杂志上发布了这一研究成果。

对数千年前在南美安第斯山脉定居的人的遗传遗骸进行的多中心研究揭示了人类适应从早期定居到大约9000年前高地和低地人口之间的分裂,到在16世纪的殖民时期遭受欧洲疾病的严重破坏。

丹尼索瓦人是生活在距今数万年前的另一个古人类种群,现代人祖先曾与他们共同生活并发生混血。由于丹尼索瓦人和尼安德特人的血缘关系相对较近,一些丹尼索瓦人的基因碎片可能被意外地归类为尼安德特人。“我们认为,在一定程度上,这是真实的,但它只代表了我们在分析中使用的尼安德特人基因碎片的很小一部分,不太可能对结果产生巨大影响。”Schraiber说。

澳大利亚阿德莱德大学遗传学家Bastien Llamas对此表示赞同:“这就像将苹果和梨进行比较。”科学家认为,要搞清哪一种基因差异代表了真正的高海拔适应,唯一的方法就是将古代安第斯人与生活在附近秘鲁海岸或智利北部的古代居民进行比较。Lindo也承认,如果有关于这些人的数据,那将是更好的比较。

研究人员建议,安第斯山脉可能通过心血管修复“以不同的方式适应高原低氧”。他们发现了一种名为DST的基因改变的证据,该基因与心肌的形成有关。安第斯高地人倾向于扩大右心室。这可能会改善氧气摄入量,增强肺部血液流动。但是研究人员发现的最强的适应信号是一种名为MGAM的基因,这种基因是一种肠道酶。它在消化淀粉类食物中起着重要作用,例如土豆

一种安第斯山脉的食物。最近的一项研究表明,马铃薯可能至少在5000年前在该地区被驯化。作者指出,对MGAM基因的阳性选择“可能代表了对更多依赖淀粉驯化的适应性反应。”安第斯人民中这种变体的早期存在表明“饮食从一种可能更多的肉类转变为另一种植物为基础,”人类学家UC Merced的Aldenderfer表示。“该变种出现的时间与我们对高原古植物植物记录的了解非常吻合。”

虽然安第斯定居者在开始种植后消耗了高淀粉饮食,但他们的基因组没有开发淀粉相关淀粉酶基因的额外拷贝,这在欧洲农业种群中很常见。古代基因组与其活着的后代的比较也揭示了在欧洲人到来后不久对免疫相关基因的选择,这表明幸存的安第斯人可能在新引入的欧洲病原体方面具有优势。“与欧洲人的接触对南美人口产生了毁灭性的影响,例如引入疾病,战争和社会混乱,”Lindo解释说。“通过关注此前的时期,我们能够区分环境适应与源于历史事件的适应性。”“在我们的论文中,”Aldenderfer说,“这些基因的优先次序都没有以牺牲考古数据为代价。我们来回运作,遗传学和考古学,创造出与手头所有数据一致的叙述。”

结果显示,对现代人基因组中观察到的源自尼安德特人DNA的图谱的最佳解释是,尼安德特人与东亚和欧洲人群之间发生过不止一次,而是多次基因交流。相关论文近日刊登于《自然—生态与演化》。

为了弄清古代安第斯人如何适应海拔2500米以上的生活,美国亚特兰大市埃默里大学人口遗传学家John Lindo,对6800年前至1800年前生活在秘鲁安第斯山脉提提卡卡湖附近的7个人类基因组进行了测序。然后,研究小组将这些基因组与来自两个现代人群的基因数据进行了比较——生活在高地的玻利维亚艾马拉族人和生活在智利南部低地海岸的惠里契—佩温切族人。

研究人员发现,与1530年代首次来到南美洲的欧洲探险家接触后,高地安第斯山脉的人口下降幅度远小于预期。在低地,人口模型和历史记录表明,在欧洲人到来之后,高达90%的居民可能已被消灭。但生活在安第斯山脉上游的人口只有27%的人口减少。即使高地居民生活在8000英尺以上的海拔高度,这意味着减少氧气,频繁的寒冷温度和强烈的紫外线辐射,他们也没有发现在其他高海拔地区的土着人身上看到的缺氧反应。

无论如何,目前仍有很多悬而未决的问题。Schraiber表示,这项研究清楚地表明了人们应该寻找什么:如果我们找到大约6万到4万年前更古老的人类DNA,应该能够看到多重混合的直接证据。

研究人员并没有找到他们想要的东西,但确实看到了一种叫做DST的基因选择迹象,这种基因与心血管健康和心肌发育有关。加利福尼亚大学默塞德分校考古学家Mark Aldenderfer是这项新研究的合作者之一,他说:“这表明了古代安第斯人适应高海拔生活的一个非常不同的过程。”

目标是确定对允许该定居点的高海拔环境的遗传适应,估计从1530年代开始的欧洲接触的影响这导致了南美洲许多低地社区的近乎毁灭。“我们有来自高安第斯山脉的非常古老的样本,”迪里恩佐说。“那些早期定居者与现在居住在该地区的人们有着最亲密的关系。这是一个严酷,寒冷,资源匮乏的环境,氧气含量低,但那里的人们适应了这个栖息地和农业生活方式。”这项研究“通过欧洲接触,7,000年BP的安第斯高原的遗传史前史”发现了几个意想不到的特征。

10万年前的一天,尼安德特人第一次遇见一群与他们看上去并不相同的“伙伴”——现代人。虽然双方的初次见面发生了什么也许已无从考证,但之后的数万年间,他们相处得似乎不错。

稀缺的氧气、寒冷的气候和强烈的紫外线辐射使得安第斯山脉成为一个生命难以存在的地方。那么人类是如何适应这种高地生活的呢?一项关于古代和现代脱氧核糖核酸的新研究表明,其中的答案可能是一些南美高地人的心肌发生了变化。

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“历史上的基因交流事件通常会产生双重影响。”加利福尼亚大学默塞德分校考古学家Mark Aldenderfer在接受《中国科学报》记者采访时表示,“例如,过去500年里,欧洲人曾通过两种方式影响安第斯人的基因:欧洲人带来的流行病杀死了许多安第斯人,降低了现代安第斯人基因的多样性;但一些幸存者出现了对天花等欧洲疾病耐受的基因,而且这种选择在当地的现代人群中依然存在。”

最后,研究小组在现代高地人的基因组中发现了一个与欧洲人接触的具体迹象—— 一种对天花疫苗产生反应的免疫受体。Lindo说,在安第斯山脉有天花流行的记载,尤其是在当地人与欧洲人接触的早期阶段,这一标记说明现代安第斯人是幸存者的后代。

由芝加哥大学的Anna Di Rienzo博士和John Lindo博士领导;来自加州大学默塞德分校的Mark Aldenderfer博士;来自智利大学的Ricardo Verdugo研究人员使用来自七个全基因组的新的DNA样本来研究古代安第斯人 - 包括聚集在秘鲁的喀喀湖和海拔12,000英尺的玻利维亚周围的群体 - 如何适应几个世纪以来他们的环境。在“科学进步”杂志中,他们将七个历史基因组与当前高原安第斯人口,玻利维亚农牧民艾拉马拉和智利沿海的低地狩猎

《中国科学报》 (2018-12-04 第3版 国际)

该研究同时发现,随着古代南美高地人逐渐以马铃薯作为主要食物,他们变得更容易消化淀粉——这些人很可能是在8750年前从其生活在低地的同胞那里分离出来的。然而有一些科学家对这些结论提出了质疑,他们说,这些人群之间的对比太过遥远,因此根本无法揭示关于高地生活的任何具体信息。

但是,让Schraiber感到困惑的是,东亚人携带的尼安德特人基因比例比欧洲人高出12%~20%。

惠里契—佩温切族人和现代高地人的一个巨大差异是他们的祖先是如何受到与欧洲人接触及其殖民的影响的。通过对过去人口瓶颈进行建模,Lindo计算出,在与欧洲人接触后,土著高地人口减少了27%。但令人震惊的是,惠里契—佩温切族人的祖先中有97%的人死亡,这可能是因为他们与殖民者的广泛战争一直持续到19世纪。

Schraiber等人首先认识到尼安德特人DNA在现代人中的分布规律应该能告诉人们一些有关杂交过程的信息。特别是尼安德特人的DNA以大块或碎片的形式出现在现代人身上。于是,他们观察了这些碎片在欧洲人和东亚人之间出现的频率。

已知另一个居住在高原上的人群——生活在中国青藏高原的人们具有遗传变异,从而可以降低他们血液中的血红蛋白水平,使身体能够非常有效地利用氧气。因此,Lindo和他的同事扫描了古代南美高地人的基因组,旨在寻找相似的适应迹象。

但是,虽然该研究的模型支持多重、特定人群的混合,“我认为你不应该太照字面意思理解我们的模型—— 我们认为混合在孤立的群体中是即时发生的,但它可能远没有那么分散”。Schraiber说。

“这是人类继续进化的一个信号。”Aldenderfer说。

换句话说,这些接触对尼安德特人和现代人都产生了不利影响。一方面,尼安德特人最终灭绝,另一方面,有研究发现源自尼安德特人的遗传变异与包括心脏病、动脉壁增厚在内的12种疾病患病风险的增加显著相关。

研究人员同时发现,与淀粉消化有关的基因中出现了一种更加强烈的自然选择迹象。Lindo说,因为含有大量淀粉的马铃薯是在安第斯山脉被人类驯化的,并且很快就成为了主食,因此人体出现这种适应机制是很有道理的。通过测量高地人群和低地人群之间随时间推移而逐渐积累起来的随机基因差异的数量,Lindo的研究小组估计这些人群之间的基因分裂可能发生在8750年前,这个日期与考古学数据相符。

尼安德特人是远古分布在欧洲大陆的最主要古人类,也是与现代人在进化学上最近的亲族。早在25万年前,尼安德特人就已出现在欧洲和亚洲,而且,他们独占了欧亚大陆,直到现代人的到来,并最终将他们取代。

约3万年前,尼安德特人逐渐灭绝,进而被现代人的祖先取代。

有研究显示,这可能是因为在漫长的演化过程中,来自尼安德特人的基因不适应现代人生存方式,从而在自然选择中被淘汰了。而且,尼安德特人小脑较小,对环境变化的适应能力较差。

“解剖学意义上的现代人在走出非洲后的3万多年里,与尼安德特人曾在地理位置上相互重叠。在这一时期,尼安德特人与现代人进行了杂交,今天非非洲人携带的尼安德特人部分基因组证明了这一点。”该研究通讯作者、美国宾夕法尼亚州天普大学生物学系的Joshua G. Schraiber告诉《中国科学报》记者,“但这种融合并非只发生了一次,实际上,人类与尼安德特人之间的相互作用比以前所认为的更长期、更复杂。”

但“幽灵”可能并不存在。“我们的证据表明他们(尼安德特人与现代人)只是多次相遇。”Schraiber说。

“尼安德特人的低基因多样性表明,可能在很长一段时间里,他们的人口规模较小,而环境挑战也对他们产生了影响。”Schraiber说,“此外,尼安德特人的DNA样本显示,其中一些可能是有益的,但其中大部分可能是中性或对我们有害。”

德国莱比锡马普学会进化人类学研究所Sergi Castellano团队曾发现,西伯利亚阿尔泰山脉东部尼安德特人的祖先和现代人的祖先相遇及繁衍的时间可能发生于约10万年前。但约3万年前,尼安德特人完全消失。

考古学家认为,现代人从非洲向外扩散时,在欧亚大陆西部遇到尼安德特人,并假定现代人与尼安德特人只发生过一次基因交流。这些遭遇事件在当今非非洲人族群的基因组中留下了印记:该族群约2%的基因组中有尼安德特人成分。

当然,这里也可能存在“另一个人”的干扰。

Schraiber和同事Fernando Villanea运用一个大型现代人基因组数据集,对东亚与欧洲血统个体中源自尼安德特人DNA的图谱进行了不对称性分析。随后基于不同的基因交流次数,他们对解剖学上的现代人基因组中的尼安德特人DNA贡献进行了模拟,并通过机器学习方法,用多种参数对这些复杂模型进行探索。

相关论文信息:DOI: 10.1038/s41559-018-0735-8

“为了找出答案,我们探索了能解释这一结果的各种人口模型,包括单一混合、多次混合,以及存在一个‘幽灵’人群(‘稀释’假说)。”他说。

■本报记者 唐凤

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因为一项针对当今东亚人和欧洲人携带的尼安德特人DNA片段的研究显示,尼安德特人与解剖学意义上的现代人的祖先曾在多个时间点发生过基因交流。

Schraiber提到,可能有一些人居住在东非或北非,因此没有遇到尼安德特人。当他们后来在非洲扩散并为现代欧洲基因库作出贡献时,这些人可能稀释了现代欧洲人基因中的尼安德特人成分。“我们没有这个群体的任何直接样本,这就是为什么他们是一个‘幽灵’。”他告诉记者。

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