我们现在的科学家是怎么研究古人类DNA的
很多普通读者并不了解古人类DNA样本的真实情况。我们需要把古DNA研究赖以立论的样本基础和技术局限,完整地厘清一遍。
第一,古人类古DNA的样本数量严重不足。
绝大部分古人群可用样本仅有个位数。以尼安德特人为例,全球总共只有十多个可用于基因组研究的样本,而且这些样本分散来自多处遗址,每一处遗址大多只有个位数样本,大部分遗址仅仅只有1例样本。依靠这样少量、分散的个体,很难完整代表一整个古人群的基因全貌,在统计学上存在巨大局限。
第二,古人类DNA片段本身高度碎片化。
绝大多数有效片段长度仅30~60个碱基对。古人类死亡之后,细胞彻底解体,染色体完整结构完全消失。我们提取出来的,并不是完整染色体,只是埋藏数万年后残存的DNA残骸短片段。
这些碎片存在多重难以排除的问题:
1. 我们无法确认这些碎片是否来自同一套染色体。细胞崩解后,来自不同细胞、不同染色体拷贝的DNA碎片会混在一起。同一段原始序列断裂后形成的多个碎片之间可能存在序列重叠,在后续分析中可能被当成独立片段处理,也可能被映射到不同位置。这类重复、重叠和错位的情况无法完全排除。
2. 我们无法保证这些碎片落在人类区别于其他动物的特有编码区域。
3. 我们甚至不能保证这些碎片本身就属于这位古人类个体。古人类样本中混杂着大量古微生物的基因序列,这些微生物在主人死亡后仍会存活很长时间,甚至参与尸体降解。哪些是主人自身携带的微生物,哪些是埋葬后从环境侵入的,二者混在一起,没有化学手段能把它们分开。判断一段碎片是否属于古人类内源DNA,主要手段就是将碎片和人类参考基因组做比对,寻找序列相似度。除此之外,没有其他独立验证手段。更麻烦的是,很多短碎片会在参考基因组上找到多个位置都能够匹配,也就是一个碎片可以映射到基因组多处位点,无法确定它原本真实的位置。
第三,参考基因组携带现代人的具体遗传信息,并且会参与古DNA序列的构建。
科研人员以现代人类的完整基因序列作为框架,再把手里极其稀少的古DNA小碎片,像裱糊匠贴补丁一样,一个个比对、匹配、粘贴到现代人的基因框架上。这里有一个容易被忽略的关键点:这套作为基准参考的现代人基因序列,主流研究最常采用的样本,来源于欧洲个体,一般是两位欧洲人的基因组序列。
同时还有一个关键事实:最终呈现出来的所谓“古人类基因序列”,绝大部分骨架、顺序、结构,都来自这套现代人参考基因组。真正携带古人类遗传信息的内源残片,在全部测得的基因序列里,占比往往只有千分之零点几甚至更低。以田园洞人为例,这个距今约4万年的晚期智人样本,内源人类DNA占比仅为0.03%。也就是说,在一个完整的古人类基因组序列中,真正由古DNA碎片直接提供信息的位点极少,绝大部分位点的信息来自现代人参考基因组和现代人单倍型面板的推断填补。下游的群体遗传学分析,是把这些填补位点和实测位点同等对待的。
这就好比想要复原一整幅完整的拼图,但手里只找到了拼图总量的万分之一甚至十万分之一的碎片。更棘手的是,这些碎片还不一定属于这幅拼图本身,混杂了大量不属于原图的外来碎片。想要凭借如此微量、来源混杂的碎片,还原整幅图画原本的样貌,难度极高,得出的结果自然带有很大不确定性。
我们可以拿马王堆辛追夫人的样本做对比。辛追的生活年代距今仅两千余年,在特殊密闭、缺氧的埋藏环境下,遗体整体原貌大体得以保存,细胞组织结构仍然保留,理论上有机会在同一个细胞当中获取成套的DNA。但即便埋藏时间只有两千年,且保存条件得天独厚,样本依然存在明显缺陷:DNA分子发生畸变,内源人类DNA占比仅有大约1%,剩下绝大部分都是微生物等外源污染DNA。
辛追拥有近乎完美的埋藏条件,遗体大体形态都得以留存,仅仅两千多年,内源DNA就已经衰减到这个水平。反观古人类化石,既没有这样密闭稳定的埋藏环境,也不存在完整保存的遗体,经过数万年乃至上百万年埋藏,软组织早已完全腐烂消失,我们能找到的仅仅是矿化之后的骨骼化石。古人类样本的保存条件远不如辛追,DNA降解、化学变质、污染的程度只会更加严重,内源人类DNA占比往往比辛追样本还要低得多。
而且,古DNA的损伤并不只发生在片段末端,片段内部同样会发生脱氨、脱嘌呤等化学损伤,这些内部损伤无法通过常规的末端损伤模式来识别和校正。短片段在基因组重复区域的多位置匹配问题,是结构性的,无法根除。微生物碎片如果在保守区域与人类基因组有足够相似性,也完全可能被比对算法接受为“人类内源序列”。
依靠这种碎片化、内源占比极低、参考基准偏向欧洲人群、存在化学畸变和内部损伤、短片段存在多位置匹配歧义、并且微生物来源无法完全排除的短碱基片段,通过模型拼接推演远古人群迁徙、人群融合这类宏大结论,本身存在不可忽视的不确定性。