线粒体DNA溯祖的方法

1线粒体DNA溯祖方法（吉林大学2010级考古系研究生寇淑愉）邮箱：[e-mail]人类的祖先生活在多少年前？有现代体质特征的现代人的祖先又是生活在多少年前？科学家们用什么样的方法来溯源人类祖先？在探索的历程中又是怎样摆脱传统方法？怎样运用新的科学的方法阐释出这些问题？传统溯祖方法从达尔文创作出物种起源开始，西方国家掀起了一股寻找人类祖先的热潮。我们九年义务教科书上说人类是由一种古猿进化而来的，劳动促使这一进化得以完成。达尔文的进化论打败了教旨主义者的神创论，摆脱了神权对人类思想的束缚，初步揭开了人类起源的奥妙。一祖论认为人类现有各人种均来自同一古猿祖先；多祖论认为尼格罗人种与大猩猩有共同祖先，高加索人种与黑猩猩有共同祖先，而蒙古人种与猩猩有共同祖先。现在根据各人种均属人属智人种的同一个种，且各主干人种间有过渡类型，使一祖论被较多数人接受。后来又发生单中心说（单一地区起源论）与多中心说（多地区起源论）的不同。单中心说认为现有人种均起源于某一地区的更新世晚期的智人，扩散到各地，适应于不同环境而形成；多中心说认为现代各人种是更新世晚期或更早些的化石人类在当地发展而成的。人种是在不同地区，长期适应当地环境而逐渐形成的。由于在长期适应过程中，其某些遗传因素已发生改变。所以这一过程是不可逆的。以上这些传统关于人类起源的研究，应用的方法是对骨骼形态相似程度进行比较，结合石器技术判断生产力水平，结合古环境推测古人类生活环境，运用多种测年手段相互印证，从时空范围对人种做对比、分类。科学家们常常希望能将传统人类学与古DNA群体遗传学两领域衔接起来，得到更有说服力的结果。线粒体DNA溯祖方法及其探究历程1987年，英国《自然》杂志上刊登了美国加州大学伯克利分校三位分子生物学家卡恩（R.L.Cann）、斯通金（M.Stoneking）和威尔逊（A.C.Wilson）等人撰写的《线粒体DNA与人类进化》（MitochondrialDNAandhumanevolution）一文，从遗传学角度溯祖的方法使科学2家们眼前为之一亮！后来能将特异的DNA片段扩增百万倍的PCR(多聚酶链式反应)技术给古DNA的研究带来了新的生机。提取出古DNA序列，相互比较得出各种差异所对应地域的相互关系，做各种相关分析研究，扩大了考古研究的范围，国内外各研究机构纷纷建立了专门的古DNA研究实验室。国内吉林大学，复旦大学都可以做古代DNA的分析，目前古DNA分析都是做线粒体DNA的部分片段。线粒体DNA(mtDNA)母系遗传，缺乏重组(重组有修复突变的功能)，高进化速率。这是科学家们用它来区分亲缘关系很近的人群的原因之一。现今人类体内的每个细胞中，大约有一千到一万个线粒体，而每一个线粒体内，则大约有2到10组mtDNA，每个mtDNA共包含16569个碱基对，其中有37个基因，可用来制造13种蛋白质、22种转运RNA与两种核糖体RNA。除了少数例外，线粒体基因组编码蛋白质的密码子都是生命世界通用的密码子。科学家们引入mtDNA方法后，结合统计学原理，对比碱基的突变率，聚类分析得出更有说服力的结果。卡恩团队提取出了现代人的mtDNA，根据mtDNA发生突变的速率得出非洲人群分化出世界其他人群的大致时间，平均约13万年前。认为在大约13万年前，这个“祖母”的一群后裔离开非洲，向世界各地迁徙，取代了生活在当时当地的土著居民直立人的后裔早期智人，从此在世界各地定居下来，逐渐演化发展成现在的我们。现在看来这项研究存在很多疑点，但是，是它打开了科学家们用基因的方法研究人类起源的窗户。各国科学家不断尝试新的方法来溯祖，1997年到1999年，德国慕尼黑大学的分子生物学家克林斯（M.Krings）等，对1856年发现于德国杜塞尔多夫城，尼安德特峡谷的尼安德特人化石进行了mtDNA的抽提和PCR扩增，并对提取出的片段DNA进行了测序。人的mtDNA的16569个碱基对中包含有1120个碱基对的高多变区域。这个高多变区域中进化速率最高、最具有多态性。克林斯的研究方法是根据分子钟理论，用线粒体DNA高多变区域的突变率高低分析出尼安德特人的生活年代。他们推测，尼人为人类演化史上的一个旁支。其后，又有科学家成功地从出土于高加索和克罗地亚的尼安德特人化石中提取了mtDNA序列，运用同样的研究方法得出尼人与现代人没有遗传联系的结论。2000年Ovchinnikov等报道了第二例尼安德特人mtDNA谱系。此研究也对mtDNA高多变区域根据分子钟理论对比分析出尼安德特人的生活年代。研究表明,两例尼安德特人的遗传关系十分接近,并在分支树上明显地与现代人分开,而且这次实验分别在苏格兰格拉斯哥大学和瑞典斯德哥尔摩大学同时进行,得到了相同的结果.这项成果不仅在人类起源上具有重大意义,更重要的是它证明了古代DNA存在的可靠性。3此前的研究都是对mtDNA高多变区域的分析，那么现在的观点有什么新的进展呢？随着越多的尼安德特人mtDNA序列的报道，现在可以大幅增加所分析的数据量，不但可以研究mtDNA高多变区域，还可以研究编码13个蛋白质的多肽区。如图所示，这13个肽链区根据突变规律等分为三个区域，分别为第一区、第二区和第三区。其中第三区域的突变率比其他区域的稳定，使用它进行系统发育分析成为一个更合适的数据。mtDNA溯祖方法新探索2010年7月菲利普-恩迪科特（PhillipEndicott）在人类进化杂志（JournalofHumanEvolution）发表了文章，人和黑猩猩趋异时间在600万-700万年前做校准的前提下，分析了线粒体基因组不同区域的碱基突变率。作者选了54位不同区域现代人、五种不同区域的尼安德特人、一只黑猩猩和一只侏儒黑猩猩。如图所示将mtDNA序列分区：1、第一区和第二区共7232碱基对；2、第三区3616碱基对；3、控制区1119碱基对；4、环区的rRNA基因1443碱基对。恩迪科特利用第三区域的突变率比其他区域的稳定的特性，使用它进行系统发育分析。得出现代人与尼安德特人的最近共同祖先生活在40.7万年前的结论。由于蛋白质编码基因的突变存在偏差，估计值可能偏高。作者质疑以前控制区（高多变区）的研究，认为以前的推断低估了生物进化率。而线粒体编码蛋白质的第三区域有比较稳定的突变率。用第三区域估计现代人起源时间，系统发育分析人类的最近共同祖先的时间，这更具有准确性。突变率高，优势在于时间段容易划的更细，但是低估了进化率；突变率稳定，优势在于有更高的准确性，但是要区分人群变异的特征不明显。用mtDNA哪个区域更精准更符合事实，这值得我们深思。各大洲的直立人是由各自地域的能人发展而来的，还是由非洲的能人演变为直立人，然后迁徙到其他各大洲？各大洲的现代人是由各自地域的直立人发展而来的，还是由非洲的直立人演变为现代人，然后迁徙到其他各大洲？种种问题困扰着科学家们，国内外研究现代人起源，经历了从对考古人骨体质形态学比较阶段，到运用统计学方法对其线粒体DNA的控制区碱基序列突变率分析阶段，再到对线粒体DNA的编码蛋白质的第三区域碱基突变率进行分析的阶段。不断认识碱基的突变规律，不断改善研究使用方法，当然方法用对了，事半功倍嘛！我们一路探索，一路发现，祖先的生活年代也渐渐地清晰起来。研究还将继续，执着的追求会得到期待的结果。这有待于爱好探索人类起源的你我他共同关注，集群众力量提高社会反响，引起高层人士对人类起源研究的重视，给研究者提供更有力的无阻的科研支持！随着全基因组时代的成熟，或许以前关于4现代人起源的说法会被后来的科学家们颠覆。但是，这些都是时代发展，科学进步的脚步。让我们一起期待科学家们找到更精准的方法吧！图片说明：将mtDNA分为非编码区，编码区和环区。编码区再分第一区，第二区，第三区，其中第三区相对速率是最平缓的。