DNA请挪步:轮到古蛋白登场揭示人类史了

作者:admin 来源:未知 点击数: 发布时间:2019年08月04日

  在数万的处理方案中摸索进修

  研究者从一些化石中提取出了一百多万年前的卵白质,它们或能协助解答环绕前人类的一系列难题。

  大约 16 万年前的某一天,一具前人类遗骸出此刻了中国青藏高原的一处洞窟里。也许这小我就是在那儿死亡的,也许骸骨是被他或她的亲属或者是食腐动物带到那里的。仅仅数年的功夫,其肉体已不复具有,骨骼的情况也起头恶化。之后又颠末了几千年,期间冰川退缩、前进、又再次退缩,最终留下来的只要一小块带有些许牙齿的颚骨。这块骨头逐步被包裹在一层矿物质外壳里,这位远古先祖的 DNA 被时间与天气侵蚀殆尽。可是,仍然有一些来自过去的信号留存了下来。

  弗洛勒斯人是科学家但愿通过古卵白质测序研究的物种之一。

  在这具前人类遗骸的牙齿内部,模糊还能辨识出曾经降解了的卵白质。科学家在本年早些时候对它们进行阐发时检测到了胶原卵白,这是骨骼及其它组织里的一种布局卵白。在它的化学标识表记标帜上有一个在现代人或尼安德特人胶原卵白里都不具有的单个氨基酸的变异,这标记着这块颚骨属于一个奥秘的、被称作丹尼索瓦人的前人类群体中的一员。中国的丹尼索瓦人是一项具有里程碑意义的严重发觉。这是在西伯利亚丹尼索瓦洞以外找到的首个个别;此前,其同类的遗骸都出自阿谁洞窟。别的,这处遗址位于海拔 3000 米以上的青藏高原,这暗示丹尼索瓦人可以或许糊口在很是寒冷的低氧情况下。

  这项发觉还具有另一层里程碑式的意义:研究者初次仅仅凭仗卵白质就判定出了一个前人类。

  这是古卵白质组学(palaeoproteomics)这个新兴范畴迄今为止最惹人瞩目的发觉之一。这门学科通过度析陈旧的卵白质来解答相关人类和其它动物的汗青和演化问题。该范畴的支撑者认为,因为卵白质在化石中留存的时间要比 DNA 长得多,这让科学家得以摸索全新的史前期间。通过使用分子东西,他们所能研究的骨骼的来历地也将比目前普遍得多。

  先前,科学家曾经从 180 万年前的动物牙齿以及 380 万年前的蛋壳里获取了卵白质。此刻,他们但愿古卵白质组学能够用来为摸索曾经不剩分毫 DNA 的前人类化石供给新看法:远的有 190 万年前到 14 万年前糊口去世界部门地域的直立人,近的则是 6 万年前糊口在印度尼西亚的弗洛勒斯人—一个矮小的、“霍比特”式的人科物种。通过比力他们卵白质间的差别,科学家但愿可以或许解答关于前人类演化的一些悬而未决的问题,例如哪几个类群是智人的直系先人。“我认为大致上你能够解锁整棵人类演化树。”来自丹麦哥本哈根大学的生物考古学家 Matthew Collins 说。自从 20 世纪 80 年代以来,他就不断站在古卵白质组学研究的第一线,其时该范畴的研究者还屈指可数。

  虽然有冲动人心的一面,有一部门研究者仍是认为仅凭从卵白质里获取的消息是很难将人类汗青完全勾勒出来的,这是由于相较于 DNA,卵白质供给的消息量很无限。还有不少人担忧由于样本污染之类的问题,古卵白质组学这个范畴可能很容易发生错误的成果。“你会看到一些很棒的研究,然后你也会看到有人颁发一些千奇百怪的工具,由于那些人没有批判性地思虑本人所采用的研究方式。”来自德国慕尼黑大学的考古学家 Philipp Stockhammer 说。

  过去的二十年里,从陈旧化石中获取的 DNA 改变了科学家对人类演化的理解。通过度析分歧前人类群体的 DNA 的异同,研究者得以绘制犯错综复杂的演化树,这在畴前是办不到的。而像丹尼索瓦人如许的严重发觉本身也要归功于遗传物质。

  按照胶原卵白序列的判定成果,这块来自 16 万年前青藏高原的颚骨属于一名丹尼索瓦人。

  但在研究者描画出的那幅图景里还留有刺目的空白。他们只对尼安德特人、丹尼索瓦人和智人这三个前人类群体进行过 DNA 测序,并且标本大都来历于 10 万年以内(一个较着破例是来自西班牙的一对 43 万年前的晚期尼安德特人)。把时钟再往回拨几十万年,工作就起头变得含混不清了。而按照哥本哈根大学分子人类学家 Frido Welker 的说法,那是一段好戏连台的期间。丹尼索瓦人和尼安德特人恰是在阿谁时候与最终成为现代人的支系在演化树上分道扬镳。但我们对那一段人类汗青仍知之甚少。例如,研究者还不晓得糊口在 70 万到 20 万年前的前人类海德堡人(Homo heidelbergensis)事实是智人和尼安德特人的配合先人,仍是像一部门人提出的那样只属于尼安德特人那一支。“这类问题是古 DNA 所无法解答的。”Welker 说道。

  再往前一百万年或是更久,工作就愈加不开阔爽朗了。好比说,直立人大要在 190 万年前首度出此刻非洲。可是没有 DNA 证据,我们就无法确定他们与包罗智人在内的晚期人族成员间的具体关系。

  古 DNA 还留有地舆上的盲区。因为 DNA 在温暖的情况下降解更快,所以虽然西伯利亚寒冷洞窟出土的 10 万年前的标本可能还保留有遗传物质,可是来自炎热的非洲或者东南亚地域的同年代化石一般都没有。因而,对于已经糊口在这些处所的前人类,如弗洛勒斯人,即便年代相对而言不那么长远,我们仍是很不领会其遗传形成。

  现在,研究人员但愿卵白质阐发可以或许起头填补一些诸如斯类的空白。如许的设法并不新颖:早在上世纪 50 年代,研究者就曾经有过在化石中发觉氨基酸的演讲了。只是在很长的一段时间里,对古卵白质测序所需要的手艺都不具有。“贴心贴腹地讲,我在本人职业生活生计的绝大部门时间里,都不相信我们有朝一日能获取古卵白质的序列。”Collins 这么说道。

  环境在进入 21 世纪后起了变化,研究者起头认识到质谱法这种用来研究此刻的卵白质的手艺,也能够使用到过去的卵白质上面。这项手艺的道理是将卵白质分化为构成它们的肽(短链氨基酸),然后再通过度析它们的质量来揣度其化学构成。

  研究人员利用质谱法来筛选数以百计的骨骼碎片,以辨别它们属于哪些品种的动物。这种更细化的手段被称作动物考古质谱阐发(ZooMS),研究者用它来阐发一种胶原卵白,这种卵白的构成成分的质量在分歧类群和物种间都不不异,这为研究人员供给了一个能够用来判定骨骼来历的特征性的印记。

  2016 年颁发的一篇论文采用了 ZooMS,研究者操纵它在来自丹尼索瓦洞数以千计的骨骼碎片里,识别出了一块属于前人类的骨头,之后的 DNA 阐发显示骨头的仆人是一名混血儿——“丹妮”(Denny),她的母亲是尼安德特人,而父亲则是丹尼索瓦人。英国弗朗西斯·克里克研究所的群体遗传学家 Pontus Skoglund 暗示,即便只要那一个功效,古卵白质阐发也曾经极大地拓展了我们对人类演化的认识。而来自德国马克斯·普朗克人类汗青研究所的考古学家 Katerina Douka 目前正在使用 ZooMS,筛查来自亚洲的 4 万块未经判定的骨骼碎片,但愿能从里面找出更多属于前人类的骨头。

  可是,ZooMS 只能勾勒出一个大致的轮廓。一旦某块骨骼被判定为前人类所有,还需要有此外手艺来对它进行更深切的研究。因而,其他一些研究者转向了鸟枪法卵白质组学,这种方式的目标在于辨别出一份样本里的全数卵白质序列,即其卵白质组。卵白质组的构成取决于被查验的组织类型,但它凡是城市包罗多种分歧形式的胶原卵白。Douka 说鸟枪法能够释放出几千个信号,这使得它所能供给的消息远比 ZooMS 丰硕,但同时也更难解读。通过将这些信号与数据库里的已知序列进行婚配,研究者就可以或许精确识别出他们样本里的胶原卵白或其它卵白质的序列。

  之后,科学家能够将这种新确定的卵白质序列与来自其他前人类的同类卵白质进行比力,在单个氨基酸上寻找异同,这有助于将新序列的仆人放置到人类演化树上响应的位置。这种做法与古 DNA 研究者在基因序列里寻找单个碱基的变异不无类似之处。

  研究者曾将卵白质阐发与古 DNA 测序连系起来利用过,而要说只阐发前人类卵白质的话,第一个研究的即是西藏丹尼索瓦人。其他这一类的研究可能很快就会接踵而至(详见“让化石启齿措辞”一图),譬如通过度析海德堡人卵白质序列,也许能够弄清晰他们与智人和尼安德特人的关系。

  研究设想摘要及群组细节和数据

  自从弗洛勒斯人的遗骸于 2003 年在印度尼西亚的弗洛勒斯岛上被发觉以来,环绕他们事实是什么的辩论就没有停歇过。他们与其他前人类的关系并不明白,有人提出他们可能是直立人的矮化后裔,还有人以至说他们也许是由与现代人类关系更远的南方古猿属演化而来的。这个类群糊口在迄今 200 多万年前,出名的“露西”就是它们两头的一员。

  Collins 认为卵白质组学能够解开这个谜团。“我百分百确信我们能够找到能拿来测序的弗洛勒斯人的卵白质,而其成果将揭晓他们在人类演化树上的位置。”他说道。这可能也同样合用于另一种小个子的前人类——吕宋人(Homo luzonensis)。数年前,有人在菲律宾吕宋岛的一处洞窟里发觉了吕宋人的骨骼和牙齿,这个发觉是在本年早些时候报道出来的。和弗洛勒斯人的环境一样,从那些样本里提取不到 DNA。来自奎松市菲律宾大学的考古学家 Armand Salvador Mijares 说,他正打算给 Welker 寄去一颗在发觉吕宋人的洞窟里找到的动物牙齿,以测试对来自古代热带地域的物质进行卵白质阐发的可行性。

  在研究者蠢蠢欲动预备对前人类进行更多卵白质组阐发的同时,在其它动物身上开展的研究曾经为我们揭示了大量关于它们在遥远过去的演化关系。

  拿比来的一项研究来说,Welker 和他的同事使用卵白质组学判了然斯蒂芬犀(一个曾经毁灭的犀牛属)在犀牛演化树上的位置。团队在一份尚未颠末同业评断的预印本上演讲说,他们成功地从来自格鲁吉亚德玛尼西遗址的近 180 万年前的犀牛骸骨里提取了卵白质。氨基酸置换的模式表白这类动物与同样曾经毁灭的披毛犀(Coelodonta antiquitatis)关系很近。

  西藏丹尼索瓦人的卵白质来自牙素质(牙齿里的骨骼组织),而这些斯蒂芬犀的卵白质则是被封具有笼盖牙齿的牙釉质里。该项研究的合著者之一、来自哥本哈根大学的古卵白质组学专家 Enrico Cappellini 暗示,这一点对于寻找很是陈旧的卵白质来说可能长短常有用的。牙釉质是脊椎动物体内最坚硬的物质,能起到防止氨基酸浸出的感化(Cappellini 称之为封锁系统)。180 万年这个时间“并不是什么限制”,他说道。

  现实上,其他人曾经冲破这个限制了。研究者有过从北极地域 340 万年前的骆驼身上提取胶原卵白序列的演讲。别的,按照 2016 年颁发的一篇论文,意大利都灵大学的生物分子考古学家 Beatrice Demarchi 和她的合作者从 380 万年前的鸵鸟蛋壳里提取到了卵白质并做了测序。Demarchi 说蛋壳不是保留在寒冷的极地地域,而是来自坦桑尼亚一处年平均气温在 18 度上下的遗址。“你不会想到这工具在那么炎热的情况下能留存至今。”她说道。也许能够在同样的处所获得前人类的卵白质,她弥补了一句:“我们得尝尝,不是吗?”

  在我们能够用古卵白质理清人类演化树之前,还有一些妨碍需要降服。到目前为止,研究人员都能较为容易地揣度出前人类的卵白质序列,这是由于他们曾经具有了尼安德特人、丹尼索瓦人和智人的 DNA。这些 DNA 让研究者得以预测可能会出此刻质谱信号里的卵白质序列。“你能够从来自远古生物或现代人的已知基因组序列里识别出你认为可能会呈现的片段,然后去寻找它们。”马克斯·普朗克演化人类学研究所的古遗传学家 Svante Pääbo 说道。

  可是当科学家研究的是年代更为长远的对象时,他们必需在没有扶引的环境下解析出那些氨基酸的序列。Pääbo 说那对于古卵白质组学来说是一项持续的挑战,缘由在于卵白质会降解成小的片段,并且样本经常被来自现代的卵白质污染。

  卵白质在这颗牙齿的釉质中保留了近 180 万年,它协助我们弄清晰了一头来自格鲁吉亚德玛尼西的古代犀牛的系统发生。

  来历:丹麦天然博物馆

  Collins 相信那是能够做到的。他指出在 2015 年颁发的一篇论文里,他本人与 Welker 及其他人一道为南美洲原生有蹄类动物(一类在大约 12000 年前毁灭的哺乳动物,品种繁多,长相奇异)绘制出了演化树。因为贫乏来自有蹄类动物化石的现成 DNA,研究团队不得不从零起头对胶原卵白进行测序,再将成果与其它动物的序列进行比力。他们发觉箭齿兽和后弓兽这两种已毁灭的南美原生有蹄类与包罗马和犀牛在内的一类动物关系亲近,而不是像一些研究者之前设想的那样与非洲兽总目(包罗大象和海牛)关系接近。

  其它局限则更为底子。远古的牙齿和骨骼只含无数量很少的卵白质,所以能用来判定标本的消息片段相对也比力少。拿西藏丹尼索瓦人的例子来说,研究阐发获得了八种分歧胶原卵白的序列,其氨基酸的合计数略高于 2000。这些氨基酸之中只要一个与尼安德特人和现代人的序列分歧,恰是这处分歧将样本判定为丹尼索瓦人。这意味着即便研究人员可以或许对好比直立人标本里的卵白质进行测序,那些氨基酸序列所供给的消息量可能也不足以让我们对直立人与现代人或其他前人类的关系得出任何确定性的结论。Skoglund 说相较而言,单单一个古基因组就含有多达三百万处与其它任何基因组都分歧的变异,因而在演化这个范畴,古基因组可以或许供给多得多的消息。

  此外,由于卵白质经常起着至关主要的感化(例如说构成骨骼),它们并不老是跟着物种的演化而改变。例如,牙釉质特有的卵白质在丹尼索瓦人、智人和尼安德特人身上是完全不异的,所以无法用来区分他们。不外,Welker 说这些卵白质在其它大猿类之间简直有所分歧,因而在研究更晚期的前人类时也许能供给更多的消息。

  虽然如斯,研究者对前人类卵白质序列在种群程度上的差别仍然知之甚少。举例来说,科学家只完成过一例丹尼索瓦人基因组的测序。这意味着在西藏丹尼索瓦人的判定上,研究团队仅仅将其卵白质序列与一个同类比对过,而其他丹尼索瓦人可能会有分歧的变异。“良多遗传学家都对这套方式持相当的思疑立场,不外我感觉那是由于他们在理解前人类种群的基因组差别上取得了很大的进展。”Douka 说。

  还有其它的挑战具有。一些研究者担忧过多地关心古卵白质组学,可能会导致它遭遇与古 DNA 范畴 20 年前碰着的同样的麻烦。20 世纪 90 年代到 21 世纪初,很多看上去冲动人心的发觉,如来自恐龙或虫珀的 DNA,随后都由于污染或是其它方式上的问题被证明是错误的。“若是同样的工作发生在卵白质组学范畴,我是不会感应惊讶的。”Douka 说。

  该范畴内的前驱人物认识到了这些问题,良多研究者正在配合勤奋以求成立一门严谨的学科。英国约克大学的考古学家 Jessica Hendy 就是此中的一员,她也是使用卵白质来研究晚期人类饮食的前驱者。在 2018 年颁发的一篇论文里,Hendy 和合作者在来自现今土耳其境内恰塔霍裕克、距今 8000 年的陶器中辨别出了卵白质,揭示出本地晚期居民的食谱里包罗了各类各样的动动物,他们以至还把奶加工成乳清。

  “这项手艺太风趣、太吸惹人了,它实在博得了不少关心,出格是此刻。”Hendy 说。“我们真的需要谨言慎行。”她弥补道。她作为第一作者,和 Welker 一同颁发了一篇论文,概述了古卵白质组学范畴的最佳实践,涉及从防止污染到共享数据的各个方面。

  Hendy 还说需要有更多的关于卵白质若何在大时间标准上保留和降解的根本性研究。她认为这类研究也许不会成为什么大旧事,但能让研究者对本人的功效有更多的决心。她拿 Demarchi 的研究来当例子:Demarchi 发觉那枚 380 万年前蛋壳里的卵白质与壳内矿物晶体的概况曾经连系到了一路,这就相当于把卵白质冷藏在那里。“她的发觉妙就妙在它真正注释了卵白质为何得以留存下来,这就让研究成果可托得多。”Hendy 说。

  虽然还有其他的问题需要处理,可是古卵白质组学的成长并没有放缓的迹象。人类演化可能是此中最受关心的,可是科学家也在以其它各类各样的体例使用古卵白质组学,好比在陈旧牙齿的牙石里寻找疾病的印记,好比探究中世纪的羊皮卷是用哪些动物皮制造而成的。

  这一切让 Demarchi 感应兴奋不已。说到为毁灭已久的生物绘制演化树,她认为卵白质组学在这一方面极具潜力。“我不感觉本人在有生之年会看到这个范畴的尽头,”她说,“它大有可为。”

  发布在 2019 年 6 月 26 日《天然》旧事特写上,原文链接:

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