第14卷第3期 人类学学报 Vol 14. No.3 1995年8月 ACTA ANTHROPOLOGICA SINICA Aug,1995 综述 平形等 DNA与人类起源和演化 现代分子生物学技术在人类学研究中的应 刘武 叶健 中园料学古廾椎动物与古人类研究所 (公安部第二研究所分子遗传室) 1987年I月,美国加州大学伯克利分校的分子生物学家Cann、 Stoneking和 Wilson 3人联合在英国《自然》杂志发表了题为“线粒体DNA与人类进化”的文章(Cann,et al,1987)。他们根据对祖先来自非洲、欧洲、亚洲及新几内亚和澳大利亚土著共147名妇 女胎盘细胞线粒体( Mitochondrion)脱氧核糖核酸DNA)的分析宣称:人类共同的祖先是 20万年前生活在非洲的一个女人。这一被称之为“夏娃"(Eve)理论的学说在国内外报刊广 为报道并在学术界引起了激烈的争论。“替代学说”的支持者认为这一研究结果为现代人 的单一起源理论提供了遗传学上的证据( Stringer and andrews,1988).而坚持“多地区起 源理论”的学者则指出世界各地人群在线粒体脱氧核糖核酸 mtDNA)上的相似性并不意味 着所有的现代人类拥有共同的近期祖先。相反,这些相似性反映了自从大约一百万年前我 们的祖先出现在旧大陆以来基因交流( Gene flow)所导致的遗传上的联系,这种联系是我 们的祖先自出现以来迁栖移动相互交往的结果( Wolof,MH.eta,1988: Thone and wolpoff,1991).伴随着这一争论的进行,现代分子生物学技术,尤其是DNA研究在阐 明人类起源、演化、群体间相互关系及考古鉴定上的应用价值引起了遗传学家和人类学家 的广泛关注,国外许多大学和研究机构纷纷开展包括化石DNA在内的DNA的研究并试 图以此来解决众多人类学上悬而未决的难题.但同时也不乏学者对这一技术的可靠性和准 确性表示怀疑。本文将从遗传学和分子生物学技术的角度对DNA在人类学应用的理论基 础、实际应用及存在的问题作一简要的介绍,同时对这一新兴的领域在未来人类学研究上 的应用前景进行讨论。 1现代分子生物学理论与技术在人类学上的应用 人类的体质特征,包括肉眼观察测量性状和细胞甚至分子水平的特征,都是受遗传基 控制的。人类血型、血清蛋白型等特征虽然在细胞水平上刻画了人类群体和个体的特 征,但这些特征多受常染色体显性基因控制,并且这些特征所代表的不同变异类型的数量 较少在人类进化的长期过程中,极易受到遗传漂变( Genetic drift)和群体之间基因交流 收稿日期:199502-21 )01994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
3期刘武等:DNA与人类起源和演化—现代分子生物学技术在人类学研究中的应用·267 溶和的影响。在过去的十几年中,随着分子生物学技术的发展及日益成熟,DNA序列资 料得到大量积累并使得我们可以在DNA水平上直接研究生物的进化过程。这些成果使得 人类对于自身体质特征的遗传和演化规律有了更加深入的理解。这些理论与技术在人类学 研究领域也得到了应用.遗传学家和人类学家都试图通过对人类DNA中蕴藏的遗传信息 的分析来揭示整个人类的形成与演化过程。这些研究主要围绕以下几方面的内容开展: 11细胞核DNA( Nuclear dna) 细胞核是细胞内最大的细胞器。在真核细胞中除红细胞外,都含有细胞核。细胞核是 遗传信息贮存、复制和表达的主要场所。其主要成分包括脱氧核铐核酸(DNA)和少量 的核糖核酸(RNA)。DNA与核蛋白相结合以染色你的形式存在。人类细胞核内有22 对常染色体( Autosome)和一对性柒色体 Sex chromosone).存在于常染色体内的DNA称 为常染色体DNA( Autosornai dna):而存在于性染色体内的DNA称为性染色体 DNA(Sexchromosome DNA).其中存在于男性Y染色体内的DNA称为Y-DNA DNA是生物的遗传基础,生物机体的遗传特征以密码(Code)形式编码在DNA分 子上,表现为特定的碱基排列顺序并且通过DNA复制( Replication)把遗传信息由亲代传 递给子代,因此,对人类DNA的分析将揭示出人类个体和群体特征的众多信息量和复杂 的变异。除此之外,非编码区( Noncoding region)具有更广泛的多态性,生物体在进化和 世代更替过程中形成了自己独特的区别于其他个体的DNA碱基顺序,这种DNA碱基顺 序的差异性即为DNA多态性 DNA polymorphisms).DNA多态性表现为三种类型:(1) 单碱基突变:DNA在某一顺序上有一个或几个单碱基存在差异;(2)碱基顺序发生突 变:DNA序列中由一个或几个碱基对的插入、缺失或移位而产生的多态性;(3)可变数 目串联重复序列( Variable number of tandem repeats VNtRs):在基因组DNA内含有高 变区( Hypervariable regions HⅤRs),它由多个串联的重复顺序组成,有些重复顺序的重 复数目在个体或群体间存在差异。串联重复有3种类型:a编码区内基因片段的串联 复,如人甲胎蛋白基因;b编码区内完整基因的串联重复,如rRNA基因。这两种类型 的 VNTRS造成的DNA多态比较少;c非编码区的串联重复, VNTRS主要发生在非编 码区,重复单位长度长的可达数十个碱基,最短仅为两个碱基对(2bp).重复数差异也很 悬殊,少者数次,多者数百次。基于上述原理, Jeffreys等人率先将在人体基因组中高度 可变的小卫星区域( Minisa tellite region)用于个体识别并创立了DNA指纹①DNA fingerprints)技术( Jeffreys,1985),这一技术已被广泛用于法医个人识别和亲子鉴定(G诅 era,1985;李伯龄等,1991).细胞核DNA除具有高度的个体变异外,还具有广泛的 群体特征。 Wainscot等人( Vainscoat et al.1986)对来自世界各地八个不同人群的常染色 体β球蛋白基因组上一组紧密连锁的核DNA多态性基因频率的分析表明:所有非洲人 群都具有一个有限数量的普通单倍体型( Haplotype),而非洲人群拥有的占主导地位的单 倍体型在非洲以外的其他人群却没有发现,还有研究( Balazs et al,1989)显示:使用 DNA探针在人类基因组可识别出若干高变位点( Hypervaria ble loci)这些等位基因频率 的分布具明显的种族特异性,提示核DNA在人类群体遗传及人类演化历史研究上有巨大 的潜力。但是,目前对核DNA的研究还有许多尚未克服的理论与技术上的困难,使其距 离直接用于揭示人类演化过程还相距甚远。这些困难包括:用来揭示人类演化过程的核基 因的突变积累缓慢;毎代均通过父母双方遗传,这种每代双亲混合的结果是重组 )01994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cenki.net
268 人类学学报 14卷 ( Recombination)的产生,这样使我们难以追踪特定的DNA片段的演化历史.通过对比 核DNA来估计遗传距离是基于人群内部和人群间分子变异频率的差异。而这种基因频率 的差异可能受到重组、遗传漂变、选择及迁移的影响。所以,根据核DNA计算的遗传距 离不能像根据mDNA那样推断时间和突变距离之间的直接关系。另外,在对细胞核 DNA进行测序分析时,因等位基因之间的序列可能存在差异,必须用克隆方法纯化出单 的DNA分子才能进行测序分析.而线粒体DNA的均一性为直接测序提供了方便, 12线粒体DNA(简写 mtDNA) 线粒体是真核生物细胞中的一种细胞器,其功能是产生能量以持细熙的活动。根据 细胞需要能量强度的不同,一个细胞中所含线粒体的数目可以有很大的差异,变化范围约 是1000—10000个.每个线粒体中都含有一个 mtDNA分于,所以,在一个细胞中可以 含有100013090个 ratNA分子,人类mNA基因组由16569个碱基对组成,只相 当于核DNA基因组的0.005%,然而, mtDNA在进化上的重要性却远远超过其对全部 人类基因组的贡献( Anderson et al,198l; Stoneking,1993). mtDNA具有若干与核DNA 不同并使其在进化研究上具有特殊意义的特征 (1)mDNA是单倍体( Haploid),由母系遗传,因为精子的线粒体都在精子的尾部 而受精时只有精子的头部进入卵子.由于线粒体DNA只是由母体而来,因而它显示出来 的差别不是由于基因的重组合,而是由于基因的突变。因此,对 mtDNA的系统分析可 以直接反映出人群或种族的母系历史.同时也意味着对 mtDNA基因组而言,其有效群 体大小( Effective po pulation size)是核DNA的四分之一,这就导致了高度的随机遗传漂 变引起的mDNA地区性群体差异 (2)mDNA的演变速率比核DNA快5-10倍,因而在相同的一段时间内,它比核 DNA能积累更多的变化,使得易于区别和测量。同时, mtDNA序列的高速演化也加速 了群体之间差异的形成.关于这一点,值得一提的是有两种方式来表达 mt DNA演化的 速率。即祖先和后代之间mDNA突变的数量及两种 mtDNA类型之间发生的突变数 前者是发生于一个血统( lineage)的演化和变化的数量;如转换成时间,则合适的度量单位 是进化率( rate of evolution).后者则为歧异或偏离的数量( amount of divergence),或两个 血统之间的变异.其时间单位是歧异率或偏离率( rate of divergence)由于歧异率代表着 两个血统之间的差异,所以,它是进化率的两倍 (3) mtDNA比核DNA拥有更多的拷贝数,所以对 mtDNA的检验比对核DNA的 检验具有更髙的灵敏度并使其适于古代DNA或化石DNA的分析 (4) mtDNA是目前为止了解得最为清楚的真核细胞基因组,它的整个序列和基因结 构已为人类所知( Anderson et al,19831,1982小,因此可以通过将观察到的限制性片段图谱 与那些已经发表的整个片段进行比较而构建详细的高分辨率限制酶谱,从而准确地推断出 使其产生限制性位点多态性的核苷酸所在位置。另外,由于PCR(多聚酶链状反应)技 术的问世使酶扩增已知其侧翼( Flanking)核苷酸序列的任何DNA片段成为可能,因此全 部人类 mtDNA序列的知识意味着可以用PCR技术分析任何需要的 mtDNA区域。 对世界范围内的 mtDNA调查在以下两个方面充实了我们对人类基因库的知识 (1) mtDNA的个体特异性 研究表明:在 mtDNA中存在着个体之间的差异( Cann et al.,1987; Horai and o1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
3期刘武等:DNA与人类起源和演化—现代分子生物学技术在人类学研究中的应用·269 Hayasaka,1990)。大多数变异不是随机的,而主要集中于 mtDNA非编码区D-环 ( D-loop)的两个高变片段( Vigilant et al,l989). Higuchi等人首先将人类 mtDNA D-环 在不需克隆的条件下进行扩增,用扩增产物直接测序.其研究表明:不同个体间存在序列 差异,而同一个体血液与毛发 mtDNAD-环区的序列相同.从而证明检验 mtDNA的碱 基序列差异可以用于法医个人识别( Higuch et a.,1988).这种通过DNA序列差异进行个 人识别鉴定的方法比以往DNA限制长度多态性( Restriction Fragment Length Polymorphism-RFLP)检验又向精确方向前进了一步,FRLP研究的内容是串联序列 所导致的DNA长度变化,而序列测定研究是个体之间DNA碱基排列啊序的差异 ( Sullivan et al.,1992).1991年, Stoneking等人( Stoneking,M,etat,19}采用酶扩增特 异序列寡核苷酸探针方法进行了 ntDNAD一环区域的研究。他们使用了23个SSO探针 ( Sequence-SpccifIc olig onucleoti e Fiobe)捡测了来自非洲、亚洲、髙加索、日本和墨西 哥五个地区55个个体的D-环区的序列。揭示出一个巨大的变异,并能观察到带有歧变 价值的274个mDNA型存在于这些个体中。就每个群体而言,歧异率超过95%,由于 mtDNA通过母系遗传,所以,同一母亲所生的子女应具有相同的 mtDNA序列,即都与 母亲的序列相同.由此可以进行母系单亲的亲子关系鉴定。他们用上述方法成功地对一起 儿童走失案件进行了鉴定。 (2) mtDNA的种族群体特征 人类 mtDNA所具有的母系单倍体遗传特点使其有效群体大小仅为核DNA的四分 之一.在随机遗传漂变的作用下,产生了高度的地区性群体差异,而 mt DNA序列高速 演化的特点将加速这种群体间的差异。表明mDNA不仅在全球人类水平上,而且也在 不同的种族群体水平上可以揭示出人类遗传构造和演化历史( Stoneking et a,1990),近年 来,国外学者采用不同的方法对人类 mtDNA分子的序列多态性进行了详细的研究并发 现mDNA分子核苷酸序列在不同区域的碱基排列都有差别.据此,可以根据每一区域 碱基序列的差异将mDNA划分为许多不同的类型系统。进一步的研究发现这些类型或 其频率分布具有明显的种族特异性。在近10年中,采用限制性酶切图谱、寡核苷酸探针 及酶扩增测序等方法对人类 mtDNA的研究揭示出许多具有种族群体特异性的序列或结 构特征。这些特征有些在非洲、亚洲及欧洲等洲际水平上刻画了mDNA所代表的种族 特点,也有一些特征或其频率分布呈现出地区性的群体间差异( Balaz et aL,1989; Brown et aL., 1992; Denaro et aL., 1981; Harihara et al., 1988; Horai and Hayasaka, 1990; Piercy et aL. 1993; Rienzo and Wilson, 1991; Scozzari et aL, 1988; Stine et aL., 1992; Stoneking et aL. 99l; vigilant et a,1989).对于人类 mtDNA类型种族群体特征的研究主要集中在亚洲 及太平洋地区人类群体,揭示出许多存在于mDNA不同区域的种族特征.其中最为重 要的发现是在人类 mtDNA COII和tRNA区域之间的第五非编码区存在一个九个碱基对 的缺失序列(9 base- pair sequence deletion) Cann and wilson,1983).进一步的研究表明 这一序列缺失是由于在复制期间滑动错配产生长度的突变,丢失了9bp序列中两个相邻 拷贝之一所致.系统分析显示这一缺失序列在从现代人 mt dNA祖先进化的过程中只发 生一次并且是东亚人类的重要标记(表1、表2)( Harihara et ai,1992; Hertzberg et al 1989, Wrischnik et al.,1987; Horai and Matsunaga,l986).其他研究显示这一缺失序列也 出现于西伯利亚和北极地区人类,美洲印第安人、太平洋岛民及部分南亚人类( Passarino 201994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
70 人类学学报 14卷 etal,1993; Schurr et al!,1990; Shields et al,1992; Stoneking et a.,1990),表明这些人群 的起源与早期东亚人类密切相关。这一缺失序列尚未在非洲人和欧洲人中发现。 表1人类mDNA第五非编码区的长度多态性序列 区域V的长度 mIDNA型 正常型 1,47,100 CACCCCCTCTA CCCCCTCTAGAG 缺失型 8,79,80,8 CACCCCCTCTAGAG 122,177,R-1 CACCCCCCCCCCCTA CCCCCTCTAGAG 表2亚洲人类群体 mtDNA9bp缺失型的出现频率 人群 例数 bp缺失型 出现例数 百分 美洲印第安人 马来酉亚华人 台湾汉族 日本人 12 西藏人 阿伊奴人 朝鲜人 7.8 马来人 尼格利陀人 尼伯尔塔鲁人 维达人 波利尼西亚人 930 斐济人 23 新英格兰人 溴大利亚土著 新儿内亚人 表中数据引自 Ballinger et aL..1992; Harhara et a,1992; Passarino et al,1993; Shields et al,199 Torroni et al. 1994 最近,以美国埃默里大学 Emory University)遗传学家 Wallace为首的研究组对包括 这一9bp序列缺失在内的人类 mtDNA序列的亚洲蒙古人种特征进行了更为深入的研究 (Ballinger et aL., 1992; Torroni et aL., 1992, 1993a, 1993b, 1994; Schurr et al, 1990 wallace etal.1985),他们的研究结果显示在人类 mtdNA分子Aul/DdlI区域具有的两个古老 的多态类型为所有亚洲人类共有,其中一个类型还见于非洲人类。表明所有亚洲人类拥有 共同的祖先。此外,研究结果还揭示这两种 mtDNA类型在越南人具有最大的变异和最 高的频率,表明越南人是这一地区最为古老的人类.也提示华南及东南亚是蒙古人种的起 源地并且是现代人类 mtDNA的一个次级扩散的中心,他们的研究还表明9bp缺失序列 Publishing House. All rights
3期刘武等:DNA与人类起源和演化—现代分子生物学技术在人类学研究中的应用·271 突变在进化过程中已发生多次.加之,许多研究数据都显示这一缺失序列在太平洋沿岸和 岛屿以及美洲印第安人中都有着广泛的分布,据此,他们提出通过 mtDNA种族特征的 研究可以证实整个亚太和美洲地区的现代人类是来自于早期东南亚人类两次大的迁移扩散 结果的学说。第一次迁移沿亚洲大陆架向东,到印度尼西亚以及太平洋诸岛;另一次向北 经西伯利亚和白令海峡最终抵达美洲。这一缺失序列在东亚、太平洋和美洲的高频率分布 提示这一广大地区的人类有着共同的祖先 但迄今为止对人类mDNA最有意义的研究是根据对全球范围各人类群体 mtDNA 的调查来揭示现代人类的起源与演化,这一部分将在以下论述 1.3古代DNA及化石DNA( Ancient dna and fossi dNA 古代DNA是指从考古发掘所得的入类和古生物标本化石中提取的DNA,其中从化 石标本中得到的DNA称力化石DNA.古代DNA的年代范围可从100年以内直至数千 万年前。古代DNA的饼究是一个新兴的研究领域,近年PCR技术的应用促进了这一领 域的迅邃发展,并波及到生物进化、人类学、医学、农业和法庭科学等学科。本文内容只 限于讨论与人类学有关的古代DNA研究。古代DNA的研究材料包括古人类化石、考古 发掘出的人类骨骼、牙齿、干尸、木乃伊等.这些标本都可能含有人类DNA片段,采用 分子生物学技术可以设法提取出蕴藏其中的DNA片段,然后进一步扩增、测序,用于分 析。通过对古代DNA的研究使我们能够对那些已经绝灭的人类基因型、群体、甚至已绝 灭的人属成员的DNA进行分析;同时也使我们得以对不同阶段的人类DNA进行纵向对 比,从而加深对人类演化历史的认识( Herrman and hummel,194; Villablanca,1994).对 古代DNA的分析可以获得以下三方面的信息: (1)个体水平上的遗传信息( ndividual level):这方面的信息可用于考古墓葬发掘的个 体鉴定、家系鉴定,同时也是获得以下两方面信息的前提 (2)人群内部的遗传信息( nfra population level)):通过比较群体内两个或多个个体之 间的遗传信息可确定一个群体中个体之间的相似或歧异程度 (3)群体之间的遗传信息( Interpopulation level):比较不同人群之间的DNA差异可 以揭示出他们之间在进化上的相互关系,进而在时间或空间上重建人类演化过程 提取和分析古代DNA的方法除某些与处理古代样品有关的要求外,基本与通常的方 法一致。用于人类学分析的信息片段包括mDNA的限制性位点长度多态性和高变D-环 序列,以及核DNA的短串联重复序列( Short Tandem Repeat Sequence).古代DNA的 研究始于80年代初期( Higuch et al,1984Pabo,1985).PCR技术问世后推进了这一研 究的进展,Pabo和 Wilson首先采用PCR技术从发现于美国佛罗里达距今7000年的干 固的人脑组织中成功地提取到 mtDNA.进一步的扩增、测序显示这一个体的 mt DNA 具有某些不属于当地美洲印第安人的独特序列特征( Paabo and wilson,1988).在此以 后,有关学者对古代DNA的提取分析技术进行了更加深入的研究,样品范围已扩展到人 类骨骼、牙齿、木乃伊及其他干化组织。已成功地从距今数百年到接近一万年的样品中提 Ax I] DNA(Horai et aL., 1989; Hagelberg and Hedges, 1989; Hagelberg and Clegg, 1991 Thomas et aL.,l990).对这些DNA种族、群体、个体特征的研究成果已被用于考古发掘 中发现的人类遗骸的鉴定以及一些古代人群形成发展的研究( Hagelberg et al,1994; Holland et al.1993, Kurosaki et a.,1993, Stone and Stoneking,1993)。如日本学者 o1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
272· 人类学学报 14卷 Kurosaki等人成功地从发掘于九州距今15002000年日本弥生和古坟时代的两个基葬 群的55个个体的骨骼和牙齿中提取到DNA,然后使用短核苷酸串联重复序列位点 ( Short vntr loc〕法对这两批标本进行了家系及种族特征等方面的鉴定( Kurosaki et aL, 1993)。还有研究报道从古代美洲印第安人基葬人骨和古代太平洋复活岛居民( Easter Is landers)骨骼中提取的DNA序列分析发现有9bp缺失序列,表明这些人群的起源与亚 洲人类有关( Stone and Stoneking,1993; Hagelberg et aL.,1994),此外,古代DNA的研究 成果在法庭科学鉴定上也得到了广泛的应用( Hagelberg et aL,199l; Jeffreys et al,1992 Gill et al., 1994). 前主要有3方面因素影响对古代DNA的研究: (1)现代DNA的污染:用于扩增DNA片段的FR技术有枥高的灵敏度,在实验过 程中即便掺人极微量的现代DNA,都会带来干杪 (2)代DNA分于的降解:存在于古代组织中的DNA分子大多不同程度地被分解 破坏,从古代样品中提取的DNA分子大多已降解为100200bp的片段(从新鲜组织中 提取的DNA片段一般在10000bp以上).这样使得古代DNA模板改变,造成扩增困 (3)組组织抽提物的其他成分对DNA多聚酶有抑制作用,可能影响PCR的扩增结果 Cooper, 1994; Paabo, 1989; Paabo and wilson, 1988b; Hagelberg et al., 1991). 在以上三方面的因素中,以现代DNA污染对成功地提取古代DNA具有最严重的影 响。造成现代污染的来源是多方面的,如考古学家在提取和搬运标本过程中用手直接触摸 标本、空气中含有人类上皮细胞的尘埃以及实验过程中的污染等等。因此,在提取用于古 代DNA分析的标本及实验过程中时,要极度小心,以免造成对古代DNA的污染 (Paabo, 1993; Hagelberg, 1994). 古代DNA研究的一个重要方面是试图从化石标本中提取到DNA.由于化石中存在 的DNA含量极其微小,加之上述3个因素的影响,这一方面的研究还没有突破性进展 ( Hagelberg,1994)。虽有报道从距今17002000万年中新世马兰花叶化石中和距今 25000年的马化石中提取到DNA( Golenberg et al,199, Hoss and Paabo,1993),但迄今 尚未见有从数万年以上人类化石中提取到DNA的正式研究报告 2 mtDNA与现代人类起源和演化 1987年,以 Wilson为首的伯克利研究组根据对祖先来自非洲、欧洲、亚洲及新几内 亚和澳大利亚土著共147名妇女胎盘细胞 mtDNA的分析提出了生活在地球上的现代人 类的共同起源于非洲的“夏娃”理论( Cann et al.1987).随后该研究组采用改进的方法进行 了进一步的研究并为这一结果提供了新的支持(Cann,1988; Rienzo et a.,1991; Stoneking 1993, vigilant et u,1989,1991)。这一假说的主要内容有4方面 2.1所有现代人群所具有的mDNA类型都起源于单一的祖先 这一点是根据 mtDNA本身的特点而确定的,假设我们调查一个现代人群并发现有n 种 mtDNA类型、如果向前追溯并调查这一群体的上一代,至多也只能发现n种这些 201994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
3期刘武等:DNA与人类起源和演化—现代分子生物学技术在人类学研究中的应用·273 mtDNA类型(不考虑n种以外的其他 mtDNA类型,因为其他的 mtDNA类型并不代 表现今的这一群体,是绝灭的类型)如果我们继续向前追溯,在某一代会发现只有n-1 种现今的 mtDNA类型.这是因为在这一代发生了突变,因而产生了新的 mtDNA类 型.换言之,两种存在于下一代 mtDNA类型将在此发生接合( coalesced).这一过程不断 重复,最终,直至所有当前这一代所具有的n种 mtDNA类型接合成一个祖先。这就是 所有现代人类 mtDNA类型的共同祖先,以上观点包含有几方面的含义。(1)由于mt DNA是母系遗传,所以这一 mtDNA的祖先应该是一名妇女;(2)这一 mt DNA祖先并 非是生存于当时的唯一个体。她是当时一个群体中的一员。然而,与她指同时代的其他 mtDNA类型由于没有留下后代或仅仅留有男性后代,因而最终绝灭;(3)这- mtDNA 祖先并非是出现于地球上的第一个女人,与当时的其他人一#,她也有其自己的祖先,但 是,她代表砦所有现代 mtDNA类型的接合点;(4)她并未对各现代人群的其他基因或 DNA片歇有任何贡献,虽然每一个基因或DNA片段都有其共同祖先,但这些祖先都是 生存于不同时代的不同个体 2.2这一祖先大概生活在非洲 伯克利研究组( Cann et a.,1987)从祖先来自非洲、欧洲、亚洲及新几内亚和澳大利 亚土著五个地理人群共147名妇女胎盘细胞中提取了高纯化mDNA.然后使用12种高 分辨率限制性内切酶构建成限制性酶图谱。据此,进一步划分为133个类型.结果显示 在133个类型中,有7个类型为一个个体以上的人所具有,但没有任何个体拥有一个以上 类型.并且在这7个共享类型中,每一型均为同一群体中的个体共享没有任何一型出现 于两个不同群体中,这表明mDNA类型具有明显的种族特异性。由于 mtDNA具有单 倍体母系遗传的特点,所有新的变异都来源于突变,造成两个 mtDNA类型的突变数量 就反映了他们之间的关系密切程度或他们共同祖先生存距今的远久程度.因此,以一个单 一突变为区别的两个 mtDNA类型之间的密切相关程度比他们中的任何一个与相差为两 个突变的第三个mDNA类型之间的密切相关程度要大得多。基于这一原理,他们采用 系统发生分析( Phylogenetic analysis)建立了表示这些个体 mtDNA类型相互关系的系统 树。这一系统树(图1)具有一个共同的祖先。但分为两大分支,一支只含有非洲人 mtDNA类型,而另一支则由包括非洲类型在内的套加分析的所有 mtDNA类型组成,据 此,他们提出:非洲是现代人类 mtDNA祖先的起源地并由此扩散到世界各地 这一结果发表后,一些学者注意到了该研究在方法上的缺陷( Saitou and Omoto, 1987; Vigilant et al,1989).这些缺陷包括采用限制性分析( Restriction analysi)的间接方 法来对比 mtdNA;使用了居住在美国黑人来代表非洲人 mtDNA;在系统分类上采用了 落后的中点法( Midpoint rooting);木能提供统计检验等.因而,该研究组采用先进的 非洲人 其他人 祖先 非洲人 图1根据人类 mtDNA类型进行系统分析的结果模式 201994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
274 人类学学报 14卷 PCR方法和 mtdNA测序法对包括121名非洲土著在内的189名个体 mtDNA控制区 ( Control region)两个高变片段( Hypervariable segments)进行了重新分析,在系统分析 采用增加黑猩猩 mtDNA序列一同分析的组外法( Outgroup rooting)并进行了统计检验 Vigilant et al.,1991).结果完全支持现代人类 mtDNA祖先起源于非洲的结论 伯克利研究组提出的支持现代人起源于非洲的另一个重要证据来自对mDNA序列 歧异( Sequence divergence)的研究,对世界范围内人类 mt DNA变异的研究显示:非洲 人群具有最大的 mtDNA序列歧异程度(见表3),其次为亚洲人和欧洲人。由于 mDNA序列歧异直接反应了随时间变化而积累于群体内部的 mtdNA突变的数量,所以 非洲人拥有最大的mDNA序列歧异就意味着他们积累了最多的mtNA突变,即非洲 人是最古老的人类 3世界各人群mDNA序列变异情况 控制区 控制区 限制酯图谱 (60-bp序列) (482-bp序列) 歧异率 歧异率 数 歧异率 非洲人 亚洲人 欧洲人 1.08 094 vigilant et al., 1991 Horai and Hayasaka, 1990 Cannet aL 1987 2.3现代人类 mtDNA祖先距今大约20万年前 根据以上的发现来估计现代人 mtDNA起源于非洲及祖先离开非洲向世界各地迁移 的时间需要首先确定自现代人类 mtDNA祖先以来积累的 mtDNA序列歧异量和人类m DNA序列歧异率。序列歧异量可以通过所建立的系统树容易地获得。虽然对通过系统分 析方法来推断现代人起源地点还有争议,但以此估算的平均歧异量不大可能受到很大的影 响,例如采用几种不同的系统分析法可以获得若干种相异的树状图,但却得到基本相同的 序列歧异量估计值( Stoneking,1993)。关键的问题是确定人类 mtDNA序列歧异率及其标 准误,伯克利研究组最初根据公认的人类定居新几内亚、澳大利亚及新大陆的时间来计算 人类 mtDNA歧异率( Cann et al.,1987)。但目前较为常用的确定人类mDNA歧异率的方 法是用人类与其最近的近亲(如黑猩猩)之间的平均歧异量除以人类一黑猩猩之间的分离 时间获得人类 mtDNA的歧异率( Vigilant et aL.,l991).一般采用的人类与黑猩猩的分离 时间是400—600万年,这一数据已得到越来越多的证据支持( Ruvolo et al,1991),其中 包括对 mtDNA的研究结果,如 Horai等人根据对包括人类在内的六种人猿超科成员近 5000种 mt DNA核苷序列的分析发现黑猩猩与人类的亲缘关系最为密切并计算出人与黑 猩猩的分离时间为4170万年( Horai et al,1992),最后,用累积的人类 mt DNA序列歧异 量除以 mtDNA序列歧异率就得到了现代人类 mtDNA祖先起源于非洲的时间。伯克利 研究组以此获得的现代人类mDNA祖先生存于非洲的时间分别是140000-290000年 ( Cann et al.1987)和166000-249000年( VIgilant et aL.,1991),平均年代都是距今大约 20万年,此外,值得一提的是上述时间指的是现代人类 mtDNA的祖先起源于非洲的时 间,并不意味着现代人类一定在等同的时间起源于非洲,因为此时的人类也许还不具有现 g1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
3期刘武等:DNA与人类起源和演化—现代分子生物学技术在人类学研究中的应用275 代人的解剖学特征,这就是说遗传学上的分化时间( Genetic divergence)先于人类群体的 分化时间( Population divergence).所以现代人类的祖先离开非洲的时间要晚于上述的现 代人类mDNA祖先形成于非洲的时间。伯克利研究组提出现代人类的祖先离开非洲向 世界各地扩散的时间可能在距今10万年前左右( Stoneking,1993) 24起源于非洲的现代人祖先向旧大陆扩散并取代了当地的原住居民 到目前为止掌握的资料显示人类mDNA的祖先存在于距今大约20万年前的非洲 而尚无证据表明早于这一时间非洲以外的人类 mtDNA参与构成了现代人类的 mtDNA 由此可以推测居住在世界各地的现代人类是来自于非洲的祖先取代了当地的原代民之后留 下的后代.伯克利研究组还认为:非洲祖先在向世弄各地扩散并职代当地居民的过程中几 乎没有与当地居民发生溶和,或者即便发生了溶和也未能留下后代。否则,在现代人群中 就会发现更多的mtNA妓异类型 这一假说提出后,在学木界引起了激烈的争论。一些学者的进一步研究为其提供了新 A*#(Hlasega wa and Horai, 1991; Hasegawa et al, 1993; Long et al, 1990; Rapacz et al 1991).但在遗传学家内部同样也有不同的意见。对于从人类遗传学的知识推导出所有现 代人类 mtDNA类型均来自于一个共同的祖先这一点,在所有的遗传学家中都没有异 义。争论的焦点是:是否可以通过对人类 mtDNA的研究准确地得出现代人类 mtDNA 的祖先起源于非洲及起源的时间为20万年( Ballinger et al,l992; Darlu et a,1987; Saitou and omoto,1987; Templeton,l99l,1993;)其中以美国圣路易斯华盛顿大学的遗传学家 Templeton提出的意见较具有代表性并在一些著名国际学术杂志上引发了直接的争论 ( Harpending et al,l993; Stoneking,1994; Templeton,1994). Templeton采用伯克利研究 组的原始数据进行了重新分析并从以下几个方面对伯克利研究组的研究结果提出怀疑 (1)关于现代人类mDNA祖先起源于非洲 首先,伯克利研究组采用系统分析法对原始数据分析建立的系统树显示所有 mtDNA 类型分为两大支,其中一支完全由非洲人类型组成,而另一支则由包括非洲人在内的全部 其他类型组成并据此为一个证据而提出现代人类 mt DNA祖先起源于非洲的观点 Templeton指出这一结论的错误在于未能正确地使用并过分地相信了系统分析结果.计 算机软件并不能保证提供最佳的系统树,因为处理这样大的数据时,可能得出多种不同的 树状图,如以伯克利研究组的135种单倍体类型( Vigilant et al.1991)为例,最多可以得 到8×10x4种树状图.并且用于系统分析的统计软件PAUP30)的制造商也告诚使用者 在处理大量数据时不能保证得到最理想的树状图. mt DNA数据以拥有大量的单倍体型 (其中许多类型在突变上极为相似)为特征。这样的数据在PAUP环境下趋向于只能在局 部得到最佳聚合,而是否得到局部理想聚合又与数据输入的顺序有关。所以,减少这种误 差的唯一办法是随机输入数据,反复多次运算,伯克利研究组的两个树状图( Cann et al, 1987; Vigilant et al,199l)都是采用一种数据输入顺序的运算结果. Templeton使用伯克 利组1991年报告的数据,按不同的输入顺序反复计算,获得了1000种相同的树状图 结果显示两大分支中原来属于非洲类型的一支还含有非洲以外的类型.似乎表明非洲单倍 体类型可能是获得性的,而非洲以外的类型更为古老. Templeton指出这一结果也并非是 最佳的选择,最终的结果应在分析全部的运算结果后才能得出。但这一结果可以证明系统 分析还不能为“夏娃”理论提供支持。 201994-2006ChinaAcademicJourmalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net