厦门大学王传超深度解读，诺奖得主帕博的主要贡献以及成功的关键

导读

“我们是怎么进化来的，是什么让我们与众不同？”这些问题自古以来一直吸引着人类学家去探索。

2022年诺贝尔生理或医学奖授予了德国马普进化人类学研究所斯万特·帕博（Svante Pääbo），表彰他“在已灭绝的人类基因组和人类进化方面的发现”。

帕博长期从事基因研究，他最令世人瞩目的研究成就，是关于尼安德特人的基因研究，揭示了尼安德特人的进化历程，以及它和现代人之间的关系。

近日，厦门大学人类学研究所所长、博士生导师、生命科学学院双聘教授王传超，在2022年诺贝尔生理或医学奖解读活动中以“我们因何为人？——来自古基因组学的答案”为主题进行了深入的分享。

王教授认为，帕博之所以能成功，是得益于技术的发展以及他个人的努力和坚持。

王传超（厦门大学教授） | 演讲

徐诗露 | 整理

王传超：很高兴有机会跟大家进行这次分享。由于我导师的导师斯万特·帕博获得了诺奖，使得我们这个冷门学科突然广受媒体关注，我也非常荣幸通过这次诺奖解读让大家更多的去了解人类是如何诞生的、我们因何能够成为人类，这些问题可能大家都想过，但还没有针对性去探索。

实际上，这个问题也是学术界广泛关注、但同时也饱受争议。今天我首先介绍一下这个研究的背景，关于人类起源的几种不同的学术观点，然后重点围绕帕博从上世纪的80年代进行古DNA探索，再到现在比较受关注的关于尼安德特人基因组测序的故事进行梳理。

王传超教授在直播间进行诺奖解读

01

人类起源问题复杂而又有趣

问：人类的进化历程是什么样的，学术界争论的焦点在哪里？

王传超：我们关注和争论的焦点就是人类是在哪里起源的、在哪里演化为现代人的。人类的进化历程大致是分四个大的阶段：南方古猿、能人、直立人、智人。

学术界普遍认为，前面的三个阶段是在非洲发生的，因为只有在非洲发现了南方古猿和能人的化石材料，直立人的化石材料在非洲以外的地区有发现，如欧洲和亚洲。而目前学术界争论的焦点是——由直立人到智人的演化过程是在哪里发生的。

大概在两百万年前，欧洲、非洲、亚洲都有直立人的存在，会不会存在当初欧洲的直立人变成了现在的欧洲人、亚洲的直立人（如北京猿人）成为了我们的祖先？这是一种可能性。

在上世纪80年代之前，这种多地区起源学说就一直是学术界和大众普遍认可的观点，这也因为亚洲人、欧洲人和非洲人的外貌特征差异很大，因此大家认为最有可能的情况是本土连续演化的。

问：有哪些学术上的依据支持多地区起源说？

王传超：这一点得到了很多古人类学家的支持，比如考古学家和古人类学家通过比较早中更新世主要遗址的石器制品、人类化石的时空分布等，发现从直立人阶段到旧石器时代、新石器时代，甚至一直到最近的几千年内，它们之间的关联是不间断的、可以看出连续进化的趋势。

（图引用自杨石霞等,人类学学报,2021,40(03):436-453.）

同时，古人类的化石（如北京人、蓝田人、元谋人等直立人）特征在东亚人群中普遍出现，比如铲形门齿、夹紧状的鼻梁、下颌圆枕等，因此，有古人类学家根据一系列特点推断，我们的祖先有可能是北京猿人。

问：除了多地起源说之外，还有哪些其他关于人类起源的学说？

王传超：当然，除了上述多地区起源说之外，在1987年，遗传学家提出了与多地区起源说相对的观点——非洲起源说，也称晚近非洲起源说。前面所讲的多地区起源说其实也认可直立人是从非洲走出来的，但非洲起源说更强调的是在20~30万年前，直立人的进化历程可能存在断层的情况。

比如说北京猿人可能没有活到现在，或许在20~30万年前（或者更晚一些）的时候已经被替换掉了，也就是说我们的祖先可能是20~30万年前在非洲由直立人演化而来的智人，他们在5万多年前走出非洲，逐渐形成了我们的祖先。

问：有哪些证据可以证明非洲起源说？

王传超：支持非洲起源说的证据主要是来自遗传学家的研究。1987年，加州大学伯克利分校的阿兰·查尔斯·威尔逊（Allan Charles Wilson）实验室在《自然》（Nature）杂志上发表论文，提出“夏娃理论”，他们通过研究147个在美国收集的女性胎盘样本中的线粒体DNA，发现全世界有代表性的线粒体样本都可以回溯到来自非洲的祖先，他们依据累计的基因突变数目会随着时间增多的原理，估算出这个非洲的祖先大概生活在20万年前。

之所以选择线粒体DNA作为研究对象，是因为线粒体是由母系单向传递的，而男性的线粒体不会传给后代。因此，“夏娃理论”认为，全世界人类的祖先生活在20万年前的非洲，这些人群可能在向全世界扩散的过程中取代了当地土著的直立人和早期智人，北京猿人等早期人类可能是被取代而灭绝了，没有留下后代。

问：“夏娃理论”对学术界有什么样的影响？

王传超：当时这个理论遭到了各界的质疑，《自然》在后续几个月内接到了两篇文章，指出它的一些方法可能有问题，如计算时间理论基础等。当然，这也说明“夏娃理论”广受关注，它的出现相当于在人类起源问题上扔下了一颗“炸弹”，几乎改写了我们对于人类起源的认识。

也正是由于学术界存在不同的观点，后续的问题就转向为——如果说有直立人的后代，那么我们能不能找到他们？因此，除了对线粒体进行研究之外，还有科学家通过其他方式进行了相关的研究，以验证“夏娃理论”是否正确。

问：科学家是怎么验证“夏娃理论”的？

王传超：2001年，金力院士带领的研究小组在东亚范围内采集了12127名亚洲及周边地区男性的Y染色体样本。经过DNA分析，发现所有Y染色体上都携带了来源于非洲的M168遗传标记，而没有找到比非洲更古老的类型，这为“中国人的祖先也来自非洲”提供了有力证据，相关成果发表在了《科学》（Science）杂志上。

因此，研究团队推断我们其实都是从非洲走出来的那个支系的后代。研究人员进一步推断出找到直立人后代的概率大约是5.4 10-6，这个概率非常小，可以说几乎是不可能存在的。这个研究表明，从父系遗传的角度看，亚洲的直立人几乎没有对现存的东亚人群做出贡献，这是支持现代人非洲单一起源的强有力遗传学证据。

随着线粒体和Y染色体研究的逐渐深入，人类基因的谱系的逐渐细化，研究人员对全世界有代表性的人群样本进行了分析，但是在非洲以外都没有找到更古老的类型。

在最近的20年间，基因分析和测序的成本降低，我们可以在全基因组的水平上研究世界族群的多样性。研究发现，非洲人群积累的基因突变数是最多的，通过谱系树可以看到非洲人位于谱系树的根部。通过谱系树衍生的梯度可以大致推断人群迁徙流动的方向。

问：与我们人类祖先共存的有哪些古老的人种？

王传超：以上诸多遗传学的证据证明，现代人类应该是由非洲起源的，并且在最近的几万年时间内在全球扩散开来。同样，通过遗传学证据，我们可以把人类的谱系定位到下面这张图最左边的发展线上，人类经历了罗德西亚人、长者智人、现代人等过程，演化为我们。

（图引用自李辉.遗传学对人科谱系的重构[J].科学,2013）

同时，回溯到几万年前，现代人其实在世界上还存在一些其他的近亲，比如说在3万多年前，广泛分布在欧洲不同地区的尼安德特人，这是我们今天要讲的故事的主角，关于尼安德特人的研究也是帕博主要的学术贡献。此外，在阿尔泰山区甚至于整个亚洲的大范围内可能还分布有丹尼索瓦人（Denisovan），在东南亚分布有身材矮小的弗洛勒斯人（这是电影《霍比特人》的原型），他们都活到了3万多年前。

那么问题来了，要探索人类起源，我们该如何看待几万年前这些与我们的祖先同时代共存的古人类之间的关系？这个问题正是帕博在过去30年间主要研究的问题，也是我们今天要讲的内容。

02

诺奖得主帕博的主要研究及贡献

了解了古人类基因组研究的背景，那我们就进入到今天的主题——古人类基因的渗入。

问：德国马普研究所斯特万·帕博因何获得了诺奖？

王传超：帕博获得了今年的诺贝尔生理或医学奖，他是古基因组学（或者说古遗传学）的开拓者，这门学科是研究古代生物的遗传物质，是从化石、土壤等其他来源中提取古代生物几率遗留下的DNA并进行测序。这门学科诞生于上世纪80年代，经过帕博30多年的努力后，逐渐形成成熟化、标准化的体系。

问：帕博是如何想到从化石中提取古生物DNA的？

王传超：帕博从上世纪的80年的开始进行古DNA的研究，他最开始对古埃及学非常感兴趣，但他逐渐发现古埃及考古和历史研究进展太缓慢，不太适合他的发展，因此他选择进入了医学院。

他在医学院研究的是腺病毒，但由于实在遏制不住自己对古埃及学的兴趣，所以他开始在实验室里偷偷地利用闲暇时间进行埃及木乃伊研究，尝试从木乃伊身上提取DNA。在当时其实几乎没有人能够想到或者尝试从人骨中提取DNA。

帕博通过在木乃伊样本上的实验找到了残留的DNA痕迹，并将相关论文发表在《自然》上。后来我们回溯他过去的实验时，发现他当年找到的木乃伊的DNA片段特别长，但是古DNA会随着时间的推移降解成小片段，因此他当时找到的DNA片段不太像是古DNA，这可能是因为当时的技术条件限制所致。

当然，不管他当年找到的是不是真的古DNA，帕博在埃及木乃伊之后，一直在探索古DNA的实验技术、建立古基因的相关标准。随着分子克隆、PCR、二代测序技术、引物延伸捕获和液相杂交捕获等技术的不断涌现，古DNA研究已逐渐成为一个用途广泛、极有发展前景的领域。

03

我们的祖先与尼安德特人有基因交流

问：那么，帕博在这个领域主要贡献是什么？

王传超：帕博本人的主要贡献就是，对已经灭绝的尼安德特人进行全基因组学分析，发现非洲现代人中没有任何尼安德特人的遗传成分，但是在非洲之外的现代人群中都有1%~4％的尼安德特人混血。其后，4万年前生活在北亚的丹尼索瓦人的全基因组也被成功解析，人类起源模型被修正为了“晚近非洲起源附带杂交”。我们现在回顾帕博的成果，可以用几句话概括出来，但是这几句话其实是他过去30多年的时间不断努力的成果。

问：尼安德特人有何特征，起源于什么时候？

王传超：尼安德特人起源于40~50万年前，大约12万到3万年前广泛分布在欧洲及西亚，属于晚期智人的一种。尼安德特人头骨化石最初于1829年在比利时发现，但直到1856年在德国尼安德山谷中的一个山洞发现了头盖骨和其他骨骼，并被命名为“尼安德特人”后才广为人知。化石证据显示，他比早期现代人稍矮但身体和四肢粗壮，平均脑量稍大，晚更新世时期广布于欧洲，在西亚和中亚也有分布，由于冰期的兴盛，约在3万年前灭绝。

通过遗传学证据得知，我们的祖先可能是5万多年前经过中东、近东到达欧洲，当时尼安德特人在欧洲还没有灭绝，我们的祖先跟尼安德特人在欧洲共存的时间至少有几千年，最长可能到达上万年。

问：在这么长的共存时间里，我们的祖先和尼安德特人是否有基因交流？

王传超：帕博的研究主要关注的问题是，如果他们之间发生了基因交流，我们如何去证明。

帕博采用了一个非常直接的方法，那就是直接提取尼安德特人人骨上的DNA进行分析。当时保存尼安德特人骨最多的地方是克罗地亚科学院和一些博物馆。彼时进行尼安德特人的研究还可能会涉及种族或民族的问题，因此他当时拿到尼安德特人的人骨样本也费了很多周折。

1997年，帕博在《细胞》（Cell）杂志上发表了一篇关于尼安德特人线粒体DNA的论文，指出尼安德特人的线粒体DNA与我们现代人之间有着非常大的差别，尼安德特人和我们共祖的时间大概要追溯到70~80万年前，甚至更长。也就是说，在现代人里没有发现尼安德特人的线粒体DNA，这个结果也支持了现代人类晚近非洲起源的观点。当时是1997年，帕博从尼安德特人骨上提取DNA可以说是一项突破性的实验。

问：帕博是如何解析尼安德特人全基因组的？

王传超：2010年，他有一个更大的突破，能够对尼安德特人进行全基因组测序，并发现我们身上带有尼安德特人的DNA，当时这个消息让我十分震撼，也促使了我后面进入古基因研究领域。我在博士毕业前夕，有幸进入德国马普人类历史科学研究所做研究博士后研究。对尼安德特人进行全基因组测序所用到的主要方法是二代测序技术，这个方法速度快，可以在短时间内产生大量的数据。帕博团队先提取出尼安德特人骨头中的DNA进行测序，并对序列进行分析。

问：这个研究过程有哪些难点，帕博团队又是怎么解决的？

王传超：这个过程实际上也存在很大的难点，当时在测序之后发现，大部分序列是被污染的、不明确的，只有6%左右的序列能够对应到人类的基因组上，这一小部分才有可能是尼安德特人的基因序列。他们随后比较了黑猩猩和尼安德特人、欧洲人、非洲人这四个群体。

（图引用自[美] 大卫·赖克，《人类起源的故事》，浙江人民出版社，2019）

他们首先确定了原始型的突变位点，然后确定尼安德特人、欧洲人、非洲人的基因型，再通过比较，发现在黑猩猩和非洲人都是原始型的情况下，欧洲人和尼安德特人共享了更多的突变位点。

问：“四群体检验”的结果说明了什么？

王传超：通过“四群体检验”来测试两个群体与其共同祖先的关系，发现尼安德特人与欧洲人所共享的突变数目，比与非洲人所共享的突变数目要多。这说明在历史上，尼安德特人曾与欧洲人的相先发生过混血。同样，亚洲人与非洲人相比，也与尼安德特人的关系会更近一些。

这个结果可以说明，尼安德特人和我们现代人类可能有混血，可能除了非洲外的全部现代人身上都带有尼安德特人的DNA，据估算，尼安德特人的DNA占比大约有1%~4%。这个结果引起了学术界的轰动，它不仅解析了一种已灭绝的古人类的DNA，还发现我们身上都带有他的DNA，这对现代人类晚近非洲起源说进行了修正——我们不是100%的基因都来自非洲，而是有一定的比例是来自非洲以外的古人类的。

04

除了尼安德特人，我们与丹尼索瓦人也有交流

问：丹尼索瓦人起源于什么时候，是怎么被发现的？

王传超：2008年，丹尼索瓦人于在西伯利亚南部阿尔泰山丹尼索瓦洞（Denisova Cave）的古遗址中被发现。化石包括一块指骨和一颗牙齿以及一些饰物。幸运的是，这块骨头中含有着保存异常完好的DNA，帕博带领研究团队对其进行了测序，发现了它们来自一种此前未知的古人类，并命名为丹尼索瓦人。

（图引用自夏欢,张东菊,陈发虎.丹尼索瓦人及其研究进展[J].科学通报,2020）

问：与尼安德特人相比，丹尼索瓦人和我们的基因差距有多大？

王传超：研究团队在这个过程中首先做的是线粒体基因组，因为线粒体在细胞里的拷贝比较多、更容易获取。这项工作是我的博士后导师Krause做的，相关研究成果在2010年发表于《自然》上，通过对丹尼索瓦人的线粒体基因组测序发现，与尼安德特人相比，丹尼索瓦人跟我们的基因差别更大。

尼安德特人和我们的差距大约是200个左右核苷酸差异，但丹尼索瓦人与我们的差异能达到近400个，也就是说我们与尼安德特人共祖的时间大概只有与丹尼索瓦人的一半。这在当时无疑是意味着发现了另一种未知的古人类。

问：除了线粒体基因组之外，从全基因组的角度看，我们身上是否带有丹尼索瓦人的基因？

王传超：随后，研究人员测序了丹尼索瓦人1.9层的基因组，发现丹尼索瓦人对东南亚和大洋州的人种（如美拉尼西亚人等）有特殊的遗传学贡献，大概有4%~6%的比例，这个比例是比较高的，因为包括我们在内的其他地区的人群身上几乎不带有丹尼索瓦人基因。或许这就是造成他们从外貌特征上跟我们差别非常大的原因之一。

2012年，帕博团队发布了覆盖了30层的丹尼索瓦人基因组，提供了更可靠的丹尼索瓦人基因组参考版本，在高覆盖度的版本上也同样发现丹尼索瓦人对美拉尼西亚人等有6%左右的遗传学贡献。

由此可以进一步表明，我们走出非洲之后，尼安德特人和丹尼索瓦人都对我们有遗传学贡献，人类起源的模型就修正为现代人是由非洲起源并附带杂交的。这也是帕博的最主要的学术贡献，解析了已经灭绝的尼安德特人和丹尼索瓦人的基因组，用实际的证据说明了人类的演化历史。

05

古老人种的基因给我们带来的影响

问：尼安德特人和丹尼索瓦人带给我们的基因对我们有哪些影响？

王传超：有研究发现，人类一些跟抑郁症、精神分裂症有关的基因突变，可能是尼安德特人传给我们的。

另一方面，他们的语言能力可能也比不上我们现代人类。由此可以猜测，正是这些原因导致了他们可能很难建立起大型的社群和复杂的社会结构，现代人之所以能够替换尼安德特人，可能也是基因方面的原因导致的。

问：尼安德特人的基因对我们来讲是有利还是有害？

王传超：这是帕博近来专注的新研究领域。比如，研究人员发现古人类的DNA片段可以帮助我们适应欧亚低紫外线辐射的环境；通过比较藏族人跟全世界不同族群的基因发现，藏族人适应高海拔缺氧环境的基因与丹尼索瓦人相关，这也可以间接推断出丹尼索瓦人的相关基因进入到了藏族人身上。

除此之外，尼安德特人的基因也可能和烟酒上瘾、血栓、营养失衡、尿道功能失常、光化性角化病等有关。值得注意的是，这些情况在我们现在看来是一种疾病，但是过去可能是有用的。比如血栓，如果古人在打猎的过程中受伤了，如果凝血功能不强的话，在几万年前那个时代可能是要送命的。

问：尼安德特人的基因和我们对抗新冠有关吗？

王传超：在新冠疫情期间，帕博团队还重新分析了新冠肺炎重症患者的遗传因素是不是和尼安德特人有关。他们发现欧洲人、南亚的印度人可能从尼安德特人那里继承了大概50Kb的基因组片段，导致他们感染新冠的重症风险率比中国人高3倍。

此外，他们发现我们可能在12号染色体上带有尼安德特人的一个基因，这个基因能够保护我们降低新冠肺炎重症的风险。东亚人新冠重症率低，有一部分原因可能是因为我们既不带有重症的基因，还带有保护的基因，可以说是双保险。

06

诺奖得主帕博成功的关键

问：是什么原因造就了帕博的成功？

王传超：帕博能把学科由自己的爱好变成有关我们理解人类起源和演化的学科领域，让我们能够理解我们何以为人。我认为他能做到这些，离不开技术的进步。上世纪80年代，帕博刚开始做古基因研究的时候，技术方法是十分简陋的。比如说分子克隆，也就是将要研究的基因片段克隆到质粒（或噬菌体）等的上面，再转到细菌上进行培养，得到一定量的片段后再进行测序，分析提取出目标基因片段。在当时来讲，分子克隆已是非常前沿的技术。

但前面我们提到，当年他找到的木乃伊的DNA片段特别长，不太像是古DNA，这也说明当时的分子克隆技术存在一定的缺陷。

后来有了PCR技术，这个技术通过聚合酶链式反应，将DNA复制的过程由体内转移到体外，并且实现了自动化。帕博当时还在做博士后，他非常热衷于PCR技术，当时PCR仪器极其有限，他经常需要和同一个实验室的人竞争，以更多地使用PCR仪器。

1988年，帕博提取出了距今7000年前的颅脑中的线粒体DNA，并利用PCR技术使目标片段呈指数扩增。这个技术非常适用于古DNA的研究，因为我们需要将非常难以获取的少量古DNA片段进行大量扩增。

但PCR技术也存在一定的缺陷，它不仅会扩增目标DNA片段，还会对其他环境微生物（如细菌、病毒）等污染的DNA进行扩增。也就是说，PCR技术并不能识别出实验过程中需要扩增的DNA片段。

十多年前出现了二代测序技术（也称高通量测序技术），解决了PCR存在的缺陷。二代测序技术可以一次对几十甚至几百万条DNA进行快速测序，它可以在几天的时间内对多人进行全基因组测序。

二代测序技术的快速、高通量、价格降低等优势，给古DNA的研究提供了很好的机会。借助这个技术，我们可以得到大量的DNA，即使复制出来的DNA中只有6%是尼安德特人的，庞大的数据量也足够我们重建任何古人的全基因组。

也正是二代测序技术，使得研究人员找到了古DNA的研究和现代DNA的研究之间的桥梁，二者之间可以进行更精细的对比分析。此外，后续的技术方法也在排查DNA污染问题上有了进展。诸多因素共同促进了古基因组的研究蓬勃发展，变成了一个繁荣的发展领域。

问：这些技术的发展和帕博的成功之间有什么关系？

王传超：不论是哪一种新技术出现，帕博可能都是最早一批使用它们的人，当然这背后离不开德国马普所对他的经费支持。比如，我当时在德国马普所做博士后的研究时，从来没有担心过经费的问题。

由此我们可以看出，更新换代的技术、经费的支撑、帕博对古基因研究的执着，以及制定一整套成熟的古基因实验的流程和标准，这些都是帕博成功的关键因素，成功总是更青睐做好了准备、并且紧跟时代步伐的人。