金鑫　黃妙珍

藏族人有多項(xiàng)異于平原地區(qū)人種的生理特征，使之能夠適應(yīng)高原的低氧與高日曬環(huán)境。來(lái)自深圳華大基因研究院等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家不僅發(fā)現(xiàn)可能在高原適應(yīng)中起關(guān)鍵作用的EPAS1基因，還發(fā)現(xiàn)此基因可能來(lái)自古丹尼索瓦人或其近親，為人類進(jìn)化的多地域基因交流觀點(diǎn)提供了數(shù)據(jù)支持。

人類的全球擴(kuò)張被認(rèn)為與氣候變化有關(guān)。世界上絕大多數(shù)人居住于氣候溫和、降水較多的平原與盆地，而空氣稀薄的高山高原、干旱的荒漠、寒冷的極地等不適宜大量人口長(zhǎng)期居住?？墒窃谑澜缙骄０巫罡摺⒈环Q作“世界屋脊”的青藏高原，居住著我國(guó)一個(gè)最古老的民族——藏族，他們被視為世界上最適應(yīng)高原缺氧環(huán)境的民族。據(jù)考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)，早在四千多年前的雅魯藏布江流域就有藏族人祖先過(guò)著群居狩獵的生活。在漫長(zhǎng)歲月中，為何藏族人能夠適應(yīng)高原惡劣氣候并且繁衍不息？科學(xué)家運(yùn)用新興技術(shù)手段進(jìn)行了研究，結(jié)果提示，藏族人的高原適應(yīng)性有著基因型的基礎(chǔ)，相關(guān)基因可能來(lái)自古人類不同種群之間的多地域基因交流。

藏族人在高原適應(yīng)上的生理優(yōu)勢(shì)

初到青藏高原者會(huì)出現(xiàn)頭痛、惡心、食欲減退、疲倦、呼吸困難等癥狀，即所謂“高原反應(yīng)”。通常情況下，發(fā)生高原反應(yīng)的可能性是老年人低于青年人、女性低于男性。多數(shù)人在12-36小時(shí)內(nèi)獲得充分適應(yīng)后，癥狀會(huì)自然減輕或消失，但嚴(yán)重者還得服用藥物才能緩解，更嚴(yán)重者會(huì)有其他危險(xiǎn)后果，包括危及生命。相比之下，長(zhǎng)年生活于海拔高、空氣稀薄、氧含量低地域的藏族人，卻大多沒(méi)有這些癥狀。

除了高原反應(yīng)，“高原紅”也是可以區(qū)分漢族人和藏族人的一個(gè)明顯特征：藏族人面部有片狀或團(tuán)塊狀紅色斑塊，這是由于周圍氣候環(huán)境造成面部皮膚角質(zhì)層過(guò)薄，毛細(xì)血管擴(kuò)張?jiān)诒砻骘@露，從而面部出現(xiàn)紅血絲所致。

彼埃羅（D.Biello）等人2007年的研究表明，藏族人的動(dòng)脈和毛細(xì)血管更粗，能為肌肉和器官輸送更多的氧。盡管生活在極度缺氧的高原，但藏族人日常消耗的氧與平原生活的居民相當(dāng)，血流速度是平原人兩倍。為什么只有藏族人獲得上述特殊的身體功能，這種適應(yīng)性究竟來(lái)源于何處？

遺傳學(xué)、考古學(xué)、語(yǔ)言學(xué)等多學(xué)科交叉的大量研究成果表明：漢族和藏族有著共同的遠(yuǎn)祖，并且西藏多處史前文化與同期華夏文化存在著密切聯(lián)系。但是，為什么藏族人少有高原反應(yīng)？為什么他們的膚質(zhì)和漢族人有這么大差異，而這些差異對(duì)高原適應(yīng)性有何影響？通過(guò)了解藏族人為何適應(yīng)高原反應(yīng)，或許能從某種程度上揭示藏族人種的演化過(guò)程，并為預(yù)防和治療高原缺氧性疾病找到某些有價(jià)值的提示。

利用基因技術(shù)探尋高原適應(yīng)機(jī)制

我們都知道，生物性狀的表達(dá)是由基因調(diào)控的，那么藏族人身上是否會(huì)有“高原適應(yīng)基因”，使得他們具有耐受高原低氧、高日曬的身體素質(zhì)呢？科學(xué)家們想到了通過(guò)基因組測(cè)序來(lái)深入研究藏族人的DNA。利用基因組測(cè)序平臺(tái)，能從血液或唾液樣本中分析測(cè)定基因組全序列，經(jīng)過(guò)多個(gè)物種之間的基因組序列比對(duì)，即可構(gòu)建物種進(jìn)化的圖譜。最早在2007年，比爾（C.M.Beall）就提出運(yùn)用分子生物學(xué)和基因組技術(shù)分析高原藏族人的基因組。

2009年，比格姆（A.W.Bigham）等人對(duì)安第斯山印第安人進(jìn)行了基于基因芯片技術(shù)的全基因組關(guān)聯(lián)研究（genome wide association study，GWAS）。這是一種在全基因組層面上針對(duì)基因與體質(zhì)特點(diǎn)關(guān)聯(lián)問(wèn)題開展的多中心、大樣本、反復(fù)驗(yàn)證的研究。它通過(guò)對(duì)大規(guī)模群體的DNA樣本進(jìn)行全基因組高密度遺傳標(biāo)記分型。尋找并全面揭示與體質(zhì)特點(diǎn)相關(guān)的遺傳基因。

比格姆等人對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果揭示了該族群的“缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor，HIF）信號(hào)通路”中一系列相關(guān)的基因可能在高原適應(yīng)性中起了重要作用。HIF類基因普遍存在于人和哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)，在正常氧濃度下亦有表達(dá)，但合成的蛋白質(zhì)分子很快被細(xì)胞內(nèi)氧依賴性泛素蛋白酶降解途徑所降解，只有在缺氧條件下才得以穩(wěn)定表達(dá)。HIF對(duì)維持低氧環(huán)境下細(xì)胞的能量代謝、生長(zhǎng)、增殖等起重要作用，是低氧誘導(dǎo)的關(guān)鍵信號(hào)分子，與機(jī)體適應(yīng)高原環(huán)境有密切關(guān)系。HIF信號(hào)通路的相關(guān)基因一直都是高原研究的熱點(diǎn)。

另外，外顯子測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步也為藏族人高原適應(yīng)性遺傳機(jī)制的研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。所謂外顯子（exon）是真核生物基因的一部分，包含著合成蛋白質(zhì)所需的信息。全部外顯子稱為“外顯子組”（exome）。外顯子組測(cè)序（exome sequencing）是指利用序列捕獲技術(shù)捕捉全基因組外顯子區(qū)域的DNA并加以富集后進(jìn)行高通量測(cè)序的基因組分析方法。外顯子組測(cè)序只需針對(duì)外顯子區(qū)域的DNA即可，遠(yuǎn)比進(jìn)行全基因組測(cè)序來(lái)得簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、高效，其目標(biāo)區(qū)域覆蓋度也更高，便于變異檢測(cè)。

對(duì)藏族人群高原適應(yīng)的基因組測(cè)序研究

來(lái)自深圳華大基因研究院、加利福尼亞大學(xué)以及華南理工大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們，在2010年就發(fā)起和主導(dǎo)了對(duì)50名藏族人的全基岡組外顯子測(cè)序及數(shù)據(jù)分析，成果發(fā)表于美國(guó)《科學(xué)》周刊上。其研究對(duì)象包括世居青藏高原的藏族人群、低海拔漢族人群以及丹麥的高加索人群。研究者對(duì)他們的外顯子進(jìn)行了測(cè)序，獲得了針對(duì)將近兩萬(wàn)個(gè)基因的外顯子和側(cè)翼區(qū)的34Mb（百萬(wàn)堿基對(duì)）序列，其中包含了92%的人類基因編碼序列，人均覆蓋度為18倍。

對(duì)測(cè)序基因的分析顯示，有一系列基因在藏族人群的高原適應(yīng)中發(fā)揮了作用，其中藏族人群特有的EPAS1基因型可能尤其關(guān)鍵。此基因是HIF通路中的重要基因，在人體應(yīng)對(duì)低氧環(huán)境的細(xì)胞生化調(diào)節(jié)通路中起核心作用。87%以上的藏族人攜帶該基因型，而漢族人的攜帶比率僅9%。為進(jìn)一步揭示其機(jī)制，研究者基于此基因型進(jìn)行了關(guān)聯(lián)性分析，從與紅細(xì)胞數(shù)量相關(guān)的單核苷酸多態(tài)性（SNP，指在基因組水平上由單個(gè)核苷酸變異所引起的DNA序列多態(tài)性）差異能夠看出，EPAS1基因型與藏族人群的血紅蛋白濃度有關(guān)，進(jìn)一步佐證了該基因型與藏族人高原適應(yīng)性的相關(guān)性。

那么，藏族人是怎樣獲得如此特殊的EPAS1基因型的呢？經(jīng)典的遺傳學(xué)理論認(rèn)為，該基因型之所以在高海拔地區(qū)藏族人中間廣泛存在，有兩種較大的可能，一是其祖先人群中本身就存在有利于高原適應(yīng)的低頻突變，在移居高原后經(jīng)過(guò)強(qiáng)力的自然選擇而擴(kuò)散開來(lái)：二是在移居高原后產(chǎn)生新發(fā)突變，其中包括有利于高原適應(yīng)的基因型，進(jìn)而在自然選擇的作用力下擴(kuò)散到整個(gè)人群。但奇怪的是，通過(guò)分析藏族人群的基因組測(cè)序數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)真實(shí)數(shù)據(jù)的分布情況與上述兩種理論推定的數(shù)據(jù)分布特征都存在差異，難以用這兩種理論進(jìn)行解釋?？紤]到大部分藏族人所攜帶的特殊EPAS1基因型在漢族人中只以極低的頻率存在，在其他已知的亞歐非主要人群中頻率都為零，這種極端差異的數(shù)據(jù)特征更像是來(lái)源于跨種群的基因交流，且該種群與現(xiàn)存人類有較大差異。如此的可能性果然存在嗎？

藏族人的EPAS1基因可能來(lái)自丹尼索瓦人

為探尋藏族人高原適應(yīng)性基因的奧秘，深圳華大基因研究院在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了不懈的群體基因遺傳學(xué)研究，并聯(lián)合加利福尼亞大學(xué)以及華南理工大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)組成團(tuán)隊(duì)，共同進(jìn)行探索。終于在2014年的英國(guó)《自然》周刊上再次發(fā)表了關(guān)于藏族人高原適應(yīng)性研究的重要成果。研究者們通過(guò)對(duì)世居青藏高原的藏族人群和低海拔漢族人群進(jìn)行基因組重測(cè)序研究和比對(duì)，發(fā)現(xiàn)藏族人很可能有生活在上一冰川時(shí)期的古人類種群——丹尼索瓦人（Denisovans）或其近親的基因滲入。

2010年，在南西伯利亞阿爾泰山中的丹尼索瓦洞穴里發(fā)現(xiàn)了丹尼索瓦人化石。科學(xué)家利用挖掘出的某根指骨中的碎塊以及2顆磨牙，通過(guò)基因組測(cè)序技術(shù)獲得了較完整的測(cè)序數(shù)據(jù)。在將丹尼索瓦人基因組與全世界各地幾種現(xiàn)代人的基因組進(jìn)行比較之后發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)生亞洲和南美洲人群中所發(fā)現(xiàn)的丹尼索瓦人基因比率，要高于歐洲人群。更令人驚奇的是，藏族人的EPAS1基因幾乎與丹尼索瓦人的相應(yīng)基因完全吻合，而與其他人種則差異巨大。較之來(lái)源于已知突變或新發(fā)突變，其數(shù)據(jù)特征與真實(shí)數(shù)據(jù)更加吻合，據(jù)此似可推測(cè)，現(xiàn)代人類在走出非洲以后，很可能先在歐亞大陸與丹尼索瓦人發(fā)生了基因交流，隨后才進(jìn)入中國(guó)，這部分人的后裔可能仍然保有少量的丹尼索瓦人基因片段。他們中有一部分人走向平原地帶，成長(zhǎng)為今天漢族人的祖先，而漸漸丟失了特有的EPAS1基因型：另一部分人則留在青藏高原，由于擁有特別的EPAS1基因型而適應(yīng)了高原的惡劣環(huán)境，并逐漸擴(kuò)散至整個(gè)青藏高原，成為今天藏族人的祖先。

通過(guò)對(duì)越來(lái)越多不同人類族群的DNA，包括對(duì)存在于化石中的古人DNA進(jìn)行基因組測(cè)序和分析，并繪制進(jìn)化圖譜，有可能發(fā)現(xiàn)更多的證據(jù)，支持現(xiàn)代人的祖先曾與丹尼索瓦人、尼安德特人（Homo neanderthalensis）等古人類之間有過(guò)基因交流。而在藏族人中發(fā)現(xiàn)丹尼索瓦人的基因片段也在一定程度上說(shuō)明了，現(xiàn)代人對(duì)極端環(huán)境的快速適應(yīng)，很可能得益于跟適應(yīng)了有關(guān)環(huán)境的其他古人類之間的基因交流，這種基因交流可能通過(guò)與其他種族通婚而獲得。在現(xiàn)代人的遺傳基因中能找到已滅絕親族的很多印記，為我們更好地理解類似的快速進(jìn)化事件提供了新的思路。

基因技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)人類進(jìn)化研究

“古DNA解密現(xiàn)代人起源”被美國(guó)《科學(xué)》周刊評(píng)選為2014年度十大科學(xué)事件之一。其中以中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所為第一完成單位的一項(xiàng)重大成果是這項(xiàng)進(jìn)展的核心部分。中國(guó)科學(xué)院的研究人員利用古DNA測(cè)序技術(shù)，對(duì)西伯利亞西南部額爾齊斯河岸距今約4.5萬(wàn)年前的一塊幾近完整的人類股骨化石進(jìn)行了高通量基因組測(cè)序，其深度42倍的全基因組數(shù)據(jù)的質(zhì)量甚至可與現(xiàn)代基因組相媲美。

利用基因科技分析古生物化石、生物遺體、遺跡及沉積物獲得古代生物信息，是近些年興起的研究熱點(diǎn)。科學(xué)家在探索古DNA秘密的過(guò)程中主要遇到以下兩個(gè)難點(diǎn)：受埋藏環(huán)境影響，來(lái)源于化石材料、生物殘骸等的古DNA不僅含量極微而且多已被分解成片斷。另外受保存環(huán)境或者運(yùn)輸條件影響，很可能會(huì)引入污染。隨著基因科技的發(fā)展，現(xiàn)在有越來(lái)越多的商業(yè)試劑盒能提高DNA的提取率。同時(shí)PCR擴(kuò)增技術(shù)和引物合成技術(shù)的發(fā)展，也提高了古DNA的數(shù)量和質(zhì)量。此外從桑格雙脫氧鏈終止法、焦磷酸測(cè)序法、Solexa合成測(cè)序法、SOLiD測(cè)序法到近幾年興起的單分子測(cè)序，測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步也促進(jìn)了古人類基因組的探索，有利于更加精確地描繪古人類基因組草圖。

研究現(xiàn)代人和古人類基因組的分子遺傳變異模式，已被證明是了解人類進(jìn)化和起源的一個(gè)強(qiáng)大方法。DNA測(cè)序技術(shù)的快速進(jìn)步，讓我們掌握了越來(lái)越多的古人類基因組的特征信息，使我們得以利用更復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)學(xué)和生理生化學(xué)方法來(lái)研究甚至重現(xiàn)遠(yuǎn)古人類的生活面貌及進(jìn)化軌跡。通過(guò)基因技術(shù)的研究手段，我們能夠更好地了解遠(yuǎn)古人到現(xiàn)代人的進(jìn)化模式及人類不斷適應(yīng)環(huán)境的能力在基因水平上的演化。

多地域基因交流促進(jìn)人類基因組進(jìn)化

“我從哪里來(lái)？”這是從人類誕生起就被不斷追問(wèn)至今的問(wèn)題，鞭策著人類用各種手段去找尋先祖的足跡，也不斷審視自身的發(fā)展及變化。通過(guò)探索與挖掘，考古學(xué)家找到了許多古人類化石，并利用基因科技提取其DNA進(jìn)行了測(cè)序分析和比對(duì)，發(fā)現(xiàn)了許多新的進(jìn)化淵源。

近若干年來(lái)，除了發(fā)現(xiàn)藏族人高原適應(yīng)基因可能來(lái)源于丹尼索瓦人之外，還有數(shù)項(xiàng)研究證實(shí)，當(dāng)今生活在亞洲大陸的現(xiàn)代人和美洲原住民中約含有0.2%的丹尼索瓦人基因片段，而這一比例在馬來(lái)西亞當(dāng)?shù)厝巳褐懈哌_(dá)4%-6%，意味著丹尼索瓦人可能曾經(jīng)廣泛分布于整個(gè)亞洲大陸。

除了丹尼索瓦人，尼安德特人也是古人類研究之熱點(diǎn)。尼安德特人是一群生存于舊石器時(shí)代的史前人類，因其遺跡于1856年首先在德國(guó)尼安德特河谷被發(fā)現(xiàn)而得名。考古學(xué)研究證明，尼安德特人曾廣泛分布于歐洲大陸，其遺跡從中東到英國(guó)，再往南延伸到地中海北端。并遠(yuǎn)至西伯利亞都有發(fā)現(xiàn)。他們與現(xiàn)代人的關(guān)系是個(gè)未解之謎，2010年前的研究大多認(rèn)為他們的基因不太可能與現(xiàn)代人融合，但也有少數(shù)研究顯示有此可能。2010年發(fā)表的一項(xiàng)遺傳學(xué)研究指出，在對(duì)比尼安德特人和五個(gè)分別來(lái)自中國(guó)、法國(guó)、巴布亞新幾內(nèi)亞、西非洲及南非洲的現(xiàn)代人基因組樣本后，發(fā)現(xiàn)非洲以外大多數(shù)現(xiàn)代人（包括歐洲、亞洲、美洲及大洋洲人）的基因組有至少1%-4%源自尼安德特人，而這是撒哈拉沙漠以南的非洲現(xiàn)代人所沒(méi)有的。

由于東亞人及東南亞人，包括巴布亞民族、美洲原住民都攜帶尼安德特人基因片段，但在歐洲及中東以外的地區(qū)都未再發(fā)現(xiàn)尼安德特人遺跡，因此該研究的科學(xué)家推斷，智人走出非洲時(shí)在中東一帶與尼安德特人相遇，并發(fā)生小規(guī)模的基因融合，然后才遷移到世界各地，所以非洲以外的現(xiàn)代人都攜有這部分基因。

近日，中科院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所的研究人員在《自然》周刊上撰文指出，現(xiàn)代人類祖先曾與尼安德特人“混血”。研究人員對(duì)2002年在羅馬尼亞一處洞穴中發(fā)現(xiàn)的被認(rèn)為是在歐洲發(fā)現(xiàn)最早有直接測(cè)年的早期現(xiàn)代人骨骼Oase 1進(jìn)行了有目的性的大區(qū)域核DNA富集實(shí)驗(yàn)。測(cè)序結(jié)果表明，這個(gè)約4萬(wàn)年前的歐洲現(xiàn)代人含有6%-9%左右的尼安德特人基因。數(shù)據(jù)分析表明：與尼安德特人的“混血”發(fā)生在Oase 1的4-6代祖先，也就是說(shuō)他的曾曾曾祖父母中可能有一個(gè)就是尼安德特人。研究者猜測(cè)，Oase 1所屬群體與歐亞大陸的共同祖先或?yàn)橥妗?/p>

更有意思的是，就在發(fā)現(xiàn)丹尼索瓦人的山洞中，也曾發(fā)現(xiàn)尼安德特人祖先與現(xiàn)代人祖先生活過(guò)的痕跡?；驍?shù)據(jù)也證實(shí)，從同一山洞發(fā)現(xiàn)的尼安德特人化石中提取的DNA，其中源自丹尼索瓦人的基因片段高達(dá)17%，而且還有證據(jù)顯示，有來(lái)自這兩個(gè)人種之外的其他未知古人的基因滲入。所有證據(jù)均顯示，上古時(shí)期各種古人類之間的基因交流遠(yuǎn)比想象中的復(fù)雜，幾乎每個(gè)現(xiàn)代人身上都有來(lái)自遠(yuǎn)古人類的“遺跡”。

以上通過(guò)古DNA的測(cè)序和研究來(lái)挖掘古人類及現(xiàn)代人的演化信息，已成為考古研究之重要手段。由測(cè)序大數(shù)據(jù)提供的進(jìn)化線索猶如人類進(jìn)化地圖上的若干地標(biāo)，引導(dǎo)我們?cè)谛碌奶剿黝I(lǐng)域里描圈畫線，逐步勾勒出人類發(fā)展演化的軌跡，從而令我們更加深刻地認(rèn)識(shí)到，多地域的基因交流能夠促進(jìn)人類的基因進(jìn)化。

關(guān)鍵詞：藏族 基因組測(cè)序 高原適應(yīng)性 丹尼索瓦人 基因交流 進(jìn)化