2022年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，因古人類研究而授予斯萬特·帕博。很多人詫異，破譯尼安德特人的基因，為什么會成為諾獎級別的突破？

復旦大學校長金力院士與帕博有過一些交往，他在接受澎湃新聞記者采訪時說：“我認識很多頂尖科學家，像帕博這樣執(zhí)著的人，還真是不多見。每個人執(zhí)著的程度不一樣，多數(shù)人做事情的時候，碰到問題總免不了知難而退，但像帕博這樣低著頭，一直低著頭，用一生去努力的，我覺得真的很難得?！?/p>

歷年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，要么頒給與人體生理相關的重大發(fā)現(xiàn)、醫(yī)學技術的重大突破，要么頒給能給未來科研/醫(yī)學帶來深遠影響的工具突破。而2022年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，卻授予了瑞典生物學家斯萬特·帕博，頒發(fā)理由是“發(fā)現(xiàn)已滅絕人種的基因組和人類進化”。

人類基因組測序都沒得諾獎，反而讓研究尼安德特人基因的得了？

絕大多數(shù)人看到2022年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的成果會有點蒙，如果解釋說，他測序了尼安德特人的基因，很多人就會恍然大悟：“原來是這個??！”“這研究真的是諾獎級別的嗎？”“人類基因組測序都沒有得諾獎，反而讓研究尼安德特人基因的得了？”

那么，首先就來說說，與人類基因組測序相關的研究，真的沒有得過諾獎嗎？非也。

聚合酶鏈式反應技術（ PCR 技術），一種用于放大擴增特定的DNA片段的分子生物學技術，它可看作是生物體外的特殊DNA復制。PCR的最大特點是能將微量的DNA大幅增加。因此，無論是化石中的古生物、歷史人物的殘骸，還是幾十年前兇殺案中兇手遺留的毛發(fā)、皮膚或血液，只要能分離出一丁點兒的DNA，就能用PCR加以放大，進行比對。這也是“微量證據(jù)”的威力所在。

PCR技術在臨床上用于治療感染性疾病、腫瘤及遺傳病， 擴增的模板可以是DNA， 也可以是R N A。在醫(yī)學檢驗學中最有價值的應用領域就是對感染性疾病的診斷。理論上，只要樣本有1 個病原體存在，PCR就可以檢測到， 一般實驗室也能檢出10～100個基因拷貝，而目前病原體抗原檢測的方法一般需要105～107個病原體才可以檢測到。PCR檢測解決了免疫學檢測的“窗口期”問題，可判斷疾病是否處于隱性或亞臨床狀態(tài)。新冠病毒的核酸檢測，使用的檢測方法就是RT-PCR檢測法，通過PCR擴增技術使標本中微量DNA、RNA物質達到可被檢測的量。

1980年，美國生物化學家保羅·伯格因研究操縱基因重組DNA分子，與創(chuàng)立DNA結構的化學和生物分析法（即鏈終止法、雙脫氧法）的美國分子生物學家沃爾特·吉爾伯特、英國生物化學家弗雷德里克·桑格共同獲得諾貝爾化學獎（這是桑格第二次獲得該獎）。1993年，美國生物化學家凱利·穆利斯因發(fā)明“聚合酶鏈式反應”（Polymerase Chain Reaction，簡寫為PCR）技術在遺傳領域研究中取得突破性成就，與開創(chuàng)“寡聚核苷酸基定點誘變”技術的加拿大籍英裔科學家邁克爾· 史密斯共同獲得諾貝爾化學獎，甚至PCR 技術的最初設想（核酸體外擴增）也是由諾貝爾獎得主、印度裔美國分子生物學家哈爾·葛賓·科拉納（破解了遺傳物質）最初提出的。作為DNA 測序和PCR擴增技術的開拓者，古遺傳學先驅阿蘭·查爾斯·威爾遜曾在1991年獲得諾獎提名，卻遺憾去世。雖然以上是諾貝爾化學獎，但都是對生命科學有著重大影響的技術工作。

人類基因組計劃是一個偉大而浩瀚的計劃，一方面有賴于前人開發(fā)的成熟的測序技術；另一方面，參與人類基因組計劃的各個國家都有重要工作，世界上眾多研究者都參與其中，而諾獎一次最多只授予3位科學家，這就很難從中選出一兩位來代表集體的成果。但是，與人類基因組測序相關的成熟技術，大多數(shù)已經獲得過諾貝爾生理學或醫(yī)學獎、諾貝爾化學獎等獎項了。

與其說諾獎頒給了古人類學，不如說是頒給了基因組學

這一次的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，與其說是頒發(fā)給了古人類學，不如說是頒發(fā)給了基因組學。當然，斯萬特·帕博研究的領域——古遺傳學，是這兩個學科的交叉學科。

我們不難發(fā)現(xiàn)，如果人類基因組計劃是從“二維平面”的角度來研究DNA，它能告訴我們DNA 是什么樣的，什么樣的疾病是由什么樣的基因決定的，但它并不能從時間（進化）的角度，確定人類的DNA 及其與相關疾病的動態(tài)關系。但如果研究古基因，就加上了一個時間的維度，可以把DNA研究變成“三維”的，這樣我們就能弄清楚DNA 的發(fā)現(xiàn)脈絡，以及與其相關疾病的發(fā)展淵源。

最早開始做相關工作的古遺傳學先驅，正是因為去世而沒能獲得諾獎的阿蘭·查爾斯·威爾遜。作為分子生物學領域的科學家，威爾遜率先把DNA 測序和PCR 擴增技術用在了生物進化上（主要對比類人猿和人類的基因），對重建生物系統(tǒng)發(fā)育做了開拓性的工作。順便吐槽一句，很多反對進化論的人，總是聲稱沒有現(xiàn)代科學能支持進化論，但實際上，整個遺傳學、分子生物學都對進化論形成了支撐，甚至整個系統(tǒng)分類學就是完全建立在這種支撐基礎上的。

不過，威爾遜的工作主要還是依賴測序研究當今物種和人類的關系，并沒有從時間線上去“觀察”人類的進化，而是相當于通過投影（對比其他物種身上與人類相同的基因），去反推生物進化的時間線。威爾遜也由此提出了“分子進化鐘”的概念。雖然分子鐘讓人類對進化分支的時間點判斷有了劃時代的進步，但是從今天的角度來說，分子鐘其實是存在不小誤差的。例如，實際測得的古類人猿和人類的基因差距，是小于分子鐘的估算結果的。當然，在威爾遜提出“分子鐘”的年代，人們也很難直接分析古生物的基因。

古遺傳學的奠基工作，還缺少一塊無比重要的基石——直接獲取并分析古生物的遺傳信息（古基因組學）。而斯萬特·帕博正好是這塊重要基石的奠基人。帕博的父親蘇恩·伯格斯特龍因對前列腺素的研究，在1982年獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，父子獲獎的時間跨度正好是40年。帕博的母親凱琳·佩博同樣是一位化學家。跟隨母親生活的帕博，雖然從小受到科學熏陶，立志要當科學家，但他最癡迷的既不是生物也不是化學，反而是古埃及學。但誰也無法想到，正是因為對古埃及學的癡迷，讓他在未來打開了古基因組學的大門。

最初就是很好奇：建造金字塔的那些人后來去哪兒了？

雖然帕博在博士期間的功課是研究“腺病毒的E1 9蛋白如何調節(jié)免疫系統(tǒng)”，但分子生物學領域的他，卻偷偷研究起了古埃及的木乃伊。為了研究木乃伊，帕博每到假期就跑到博德博物館，在長期的研究中，甚至還學會了德語。

剛開始，帕博的研究目的也并非要開創(chuàng)一個學科。他的想法很單純，就是很好奇：當初建造金字塔的那些人到哪里去了？現(xiàn)在的埃及人是不是古埃及人和法老的后代？

要回答這個問題，最直接的方式就是分析法老們的DNA，然后和現(xiàn)代人的進行對比。然而，當時并沒有人能成功從古生物中提取DNA，或者說提取工作受到極大客觀因素的影響。古遺傳學先驅威爾遜等人的很多研究工作，正是因此而受到了限制。

1984年，威爾遜實驗室的一名研究生從滅絕100多年的斑驢皮膚中提取出了DNA，通過對線粒體基因的研究，發(fā)現(xiàn)斑驢是斑馬的近親，和野驢的關系反而比較遠。這個開創(chuàng)性的研究登上了當年的《自然》雜志。但這其實同樣是采取“傳統(tǒng)”方法，分析年代較近的滅絕動物，對年代過于久遠的動物依舊無能為力。

其實，在威爾遜團隊發(fā)表這篇論文之前，帕博就已經做出了自己未來事業(yè)的奠基性成果——通過化學方法提取到了木乃伊的DN A 片段。他用德語發(fā)表了相關論文，但未引起關注。幸運的是，1984年11 月，帕博正好看到了威爾遜團隊發(fā)表的關于斑驢的論文。激動的他產生了一個破天荒的想法，把自己的論文改寫成英文，投給《自然》雜志。結果，他的論文不僅通過了，還受到了威爾遜的密切關注。當時，威爾遜已經是著名生物學家，在伯克利（即美國加利福尼亞大學伯克利分校）有著自己的實驗室。他本以為帕博是一位教授，所以寫信邀請他到自己的實驗室來工作，當發(fā)現(xiàn)帕博僅僅是一位在讀博士生時，便邀請他到自己的實驗室做博士后。

1986年，帕博取得博士學位后，第一時間便去美國參加了一項重要的學術研討會，在這里，他不僅見到了自己的博士后導師威爾遜，也見到了諾獎得主、PCR技術的發(fā)明者穆利斯。這次會議的核心就是討論DNA 測序技術，帕博受益良多。博士后期間，他逐漸完善了從頭骨中提取DNA 的技術。

隨著深入研究，帕博意識到，自己的工作其實充滿巨大的挑戰(zhàn)。因為隨著時間的推移，DNA 會發(fā)生化學修飾，降解成短片段，僅僅幾千年的時間，便只剩下微量的DNA；此外，古生物腐敗的過程中，還會滋生大量細菌，它們的基因會污染古生物的基因；研究者進行采樣、提取等一系列工作的過程中，自身的DNA 也可能成為重要的污染源。

為了解決這些問題，在威爾遜研究室期間，帕博做了大量古生物的測序工作。他獨立以及與威爾遜等共同發(fā)表的一些和測序相關的重要論文，促使古DNA 測序逐漸有了可能。

1990年，隨著小說《侏羅紀公園》的出版，全球范圍內掀起了古遺傳學研究的熱潮。當時有不少研究者發(fā)表了有關恐龍基因提取的論文，但后來發(fā)現(xiàn)，這些論文中所謂的恐龍基因，都是被細菌或者人類基因污染過的。也正是在1990年，帕博回到德國，成為慕尼黑大學的教授，專門從事古NDA的研究工作。

相比正常人的DNA序列尼安德特人的基因像被撕碎的紙片

在慕尼黑大學，帕博一開始就選擇了一個極具挑戰(zhàn)性的工作：測序尼安德特人的基因。

DNA經歷早期的快速降解后，遺留的DNA碎片還會以521年左右的半衰期不斷衰變。超過100萬年的DNA，將很難提取出有用的信息，這也是為什么哪怕以今天的技術，人們也很難分析恐龍的DNA。帕博的研究工作，難度空前。

一直到1996年，帕博團隊才通過比較精細的方法，提取到了40萬年前的尼安德特人線粒體基因中的379個核苷酸。最終發(fā)現(xiàn)，這個曾被認為是歐洲人祖先的人種，竟然和現(xiàn)代人的線粒體基因譜系完全不同。這個研究結果在當時引起了巨大的轟動，也給帕博帶來了很大的聲望。論文發(fā)表后不久（1997 年），帕博進入德國著名的馬克斯·普朗克多學科科學研究所（簡稱馬普所），建立了進化人類學研究所，并擔任所長。

隨著人類全基因組測序的興起，帕博開始了對尼安德特人全基因組的測序工作。

從慕尼黑大學到馬普所的幾年時間，帕博帶領團隊，逐漸建立起以PC R 檢測為基礎，探索不同的提取、拼接、恢復、修復DNA的技術，最終建立起了一套能篩選污染基因，并最終破譯古DN A 碎片的關鍵技術和流程，成為古基因組學研究的標準范式。

為了盡可能避免DNA被污染，在馬普所，帕博幾乎建立了世界上最干凈的生物實驗室。該實驗室分成內、外房間，內部房間被厚厚的玻璃門隔開，配備超強的空氣過濾裝置，可過濾小至0.2微米直徑的顆粒，過濾度可達99.995%。正是因為檢測技術的突破、標準流程的建立和實驗室要求的嚴苛，才讓帕博團隊破譯尼安德特人的全部基因有了可能。

相比正常人的完整DNA序列，尼安德特人的基因完全就像被撕碎的紙片。如果把人類的全組DN A 比作書，按照一頁3000個字母計算，正常人的完整DNA序列如同一部200萬頁的巨著。尼安德特人的基因組，則相當于把1000本這樣的巨著，撕碎成只有50個字母大小的碎片，然后與30多倍的廢紙碎片混合。帕博團隊的工作則需要從中找出這些有字的碎片，然后拼起來。

雖然人類基因組的確定（2001年）讓這項可怕的工作變成了可能，但這依舊是一個工作量超乎想象的無底洞。哪怕在其他實驗室的幫助下，也要利用十幾個大容量的硬盤，才最終得以處理所有數(shù)據(jù)。為了避免出現(xiàn)偏差，帕博團隊還同時采用了黑猩猩的DNA，才最終真正測出了尼安德特人的完整DN A 序列。

2009年，測出草圖。2010年，發(fā)表相關論文，僅論文附件就達到174頁。2014年，尼安德特人的完整DNA序列建立。為了保證DN A 序列的精準，每個序列的確定都至少測定了50次。研究尼安德特人期間（2010年），帕博團隊還僅僅通過從牙齒和指骨化石（2008年在西伯利亞南部阿爾泰山脈的丹尼索瓦洞中被發(fā)現(xiàn)）中提取的DNA，便確定了一個全新的人種——丹尼索瓦人，隨后成為《科學》2012年度十大科學突破之一。

這些僅僅是我們的祖先與其他古人類基因交流的冰山一角

這一系列的DNA破譯最終證明，尼安德特人和丹尼索瓦人都和現(xiàn)代人發(fā)生了一定的基因交流。非洲以外的現(xiàn)代人類，依然保有1%～2%的尼安德特人的基因，且部分基因與現(xiàn)代人的糖尿病、心臟病、抑郁癥等有關；亞洲、澳洲地區(qū)的現(xiàn)代人類，還有1%～6%的丹尼索瓦人的基因。

通過DNA 數(shù)據(jù)，還能進一步建立起人類的進化關系脈絡——智人曾與尼安德特人（距今約3萬年前滅絕）和丹尼索瓦人發(fā)生過基因交流。但其實，這些都僅僅是我們祖先與其他古人類基因交流的冰山一角。

帕博獲得諾獎的真正原因，并不僅僅是破譯了尼安德特人的基因，而是開拓了破譯古DNA的技術，并建立了相關的標準和規(guī)范，讓更多的古DNA 破譯成為可能。在非洲還有大量的古人類DNA尚未破譯，2010年之后，隨著高通量測序的發(fā)展，現(xiàn)在已經能夠測序古生物中極其微量的DNA。隨著大量破譯工作的積累，未來，不僅人類的起源會越來越清晰，甚至人類各個文明起源的確定，都有了更多可能性。

在未來，無論對人種還是物種的溯源，以及對疾病的溯源，古基因組學都將繼續(xù)發(fā)揮它的重要價值。

當年，威爾遜因為去世而與諾貝爾獎失之交臂，作為學科的奠基人，帕博的貢獻可謂青出于藍而勝于藍。人們很難猜到，2022年的諾獎會落在這個學科領域。帕博的獲獎，與其說是冷門，不如說是年輕的古基因組學正在全球興起，獲得諾獎實至名歸。

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