醉面振第48卷第6期2003年3月 古老人群 mtDNA研究中存在的问题和对策 姚永刚①张亚平0② (①中国科学院昆明动物研究所分子进化与基因组多样性实验室,昆明650223;②云南大学云南省科技部共建生物资源保护与利用 重点实验室,昆明650091;③中国科学院研究生院,北京100039.·联系人,Emal:zhangye@publickm.yn.cn) 摘要由于多种原因,古老人类标本中的DNA一般都有不同程度的降解,在分析时只能得到短片段的 序列.如何对这些序列片段的真实性进行甄别,最大限度地挖掘出其中包含的信息,是目前对古代人 群遗传结构分析及其他古DNA研究中普遍存在的一个难题.本文对近期国内古老人群mDNA研究中 存在的问题进行了评述,并从mDNA世系的系统发育关系角度,对新疆(包括邻近的中亚地区)古老人 群数据进行了重新分析.结果显示,这些古老DNA数据的可靠性存在或多或少的问题,结合现代不同 地理人群中的mDNA变异情况,能够对获得的距今数千年前的mDNA的真实性进行判别和自检,并 能有效地对序列信息进行解码_同时,对中亚地区古老人群mDNA数据重新分析的结果,支持该地区 欧亚人群基因交流融合由来已久的推测 关键词古老 DNA mtDNA系统发育问题对策 在缺乏古代人群直接遗传信息的情况下,根据 古老DNA研究的难题之二,是如何对所获得的 现代人群的遗传分析和比较,可为推测人群起源和短的古老DNA序列进行有效地破译,这些DNA序列 迁移提供依据和佐证,这在目前人类学领域较为常通常是位于 mtDNA控制区第1高变区( hypervariable 见12,并且有人倡议建立一个新学科一考古遗传 segmentI of mtDNA control region,HSD的100 学( Archeogenetics)3.由于现代人群遗传结构受群体300bp片段.这一难题的准确解决与否,直接关系到 的迁移历史、基因流和遗传漂变等作用的影响,是否结论的正确性.目前普遍采用的做法是将古老DNA 与历史上人群的遗传结构相似不得而知.同时,现代序列和现代人序列放在一起,构建系统发育树或网 人群中不同遗传标记揭示的遗传图景也可能不同.络关系图,比较其中古老样本和现代样本的聚类情 因此,关于一些特定人群遗传结构和群体历史的争况0这种做法虽然大多基于距离法或简约性原 论颇多.对古代人群遗传结构进行直接研究,有助于则,但由于分析的片段非常短,信息有限,古老样本 解决这些争议,验证一些基于现代人群遗传数据得和现代人样本的聚类关系在由不同参数设置构建的 出的假说因而,古老DNA研究一直受到高度重视.系统树中可能不同1415.而且,将现代人序列剪切成 和古老DNA片段一样的长度,根据距离法构建个体 1古老DNA研究中的难题 或群体间的系统发育树而不考虑世系( lineage)间真 由于在保存过程中受到各种因素的影响,古老实的系统发育关系,往往不能充分地揭示片段中区 标本中的DNA均存在较为严重的降解现象,导致古分 mtDNA单倍型类群( haplogroup)归属的有限信息, 老DNA研究中存在两大难题.难题之一是技术方面,会得出一些非常奇怪的结果一个比较典型的例子 即如何从标本中提取出DNA,扩增出相关的目的片就是wang等人山的工作.他们分析了我国山东淄博 段,并有效地防止外源DNA的污染.针对这一难题,地区距今2500和2000年前1及现代人群mDNA 目前有较多的研究经验和建议,如采用比较特殊的185bp序列数据,认为2500年前的淄博人群和现代 DNA提取方法和技术;多次独立地对同一样品、同欧洲人群比较相似,2000年前的淄博人群则表现为 一标本的不同部位取样进行分析6,在不同实验室现代欧洲和东亚人群的中间类型;过去2500年内我 独立进行实验操作,互相印证7;与来自同一遗址国北方人群母系基因库发生了由欧洲型向东亚型的 中其他标本DNA的成功提取作为对照,或进行其替代.这种“替代”推测一方面和我国人群的迁移历 他形式分析6,看该遗址是否适合古老DNA的保史有较大出入,同时也与该小组近期工作相矛 盾.一方面,他们推测认为过去2500年内,我国北方 www.scichina.com第 48 卷 第 6 期 2003 年 3 月 论 坛 632 www.scichina.com 古老人群 mtDNA 研究中存在的问题和对策 姚永刚①③ 张亚平①②* (①中国科学院昆明动物研究所分子进化与基因组多样性实验室, 昆明 650223; ②云南大学云南省科技部共建生物资源保护与利用 重点实验室, 昆明 650091; ③中国科学院研究生院, 北京 100039. * 联系人, E-mail: zhangyp@public.km.yn.cn) 摘要 由于多种原因, 古老人类标本中的 DNA 一般都有不同程度的降解, 在分析时只能得到短片段的 序列. 如何对这些序列片段的真实性进行甄别, 最大限度地挖掘出其中包含的信息, 是目前对古代人 群遗传结构分析及其他古 DNA 研究中普遍存在的一个难题. 本文对近期国内古老人群 mtDNA 研究中 存在的问题进行了评述, 并从 mtDNA 世系的系统发育关系角度, 对新疆(包括邻近的中亚地区)古老人 群数据进行了重新分析. 结果显示, 这些古老 DNA 数据的可靠性存在或多或少的问题; 结合现代不同 地理人群中的 mtDNA 变异情况, 能够对获得的距今数千年前的 mtDNA 的真实性进行判别和自检, 并 能有效地对序列信息进行解码. 同时, 对中亚地区古老人群 mtDNA 数据重新分析的结果, 支持该地区 欧亚人群基因交流融合由来已久的推测. 关键词 古老 DNA mtDNA 系统发育 问题 对策 在缺乏古代人群直接遗传信息的情况下, 根据 现代人群的遗传分析和比较, 可为推测人群起源和 迁移提供依据和佐证, 这在目前人类学领域较为常 见[1,2] , 并且有人倡议建立一个新学科 —— 考古遗传 学(Archeogenetics)[3] . 由于现代人群遗传结构受群体 的迁移历史、基因流和遗传漂变等作用的影响, 是否 与历史上人群的遗传结构相似不得而知. 同时, 现代 人群中不同遗传标记揭示的遗传图景也可能不同. 因此, 关于一些特定人群遗传结构和群体历史的争 论颇多. 对古代人群遗传结构进行直接研究, 有助于 解决这些争议, 验证一些基于现代人群遗传数据得 出的假说. 因而, 古老 DNA 研究一直受到高度重视. 1 古老 DNA 研究中的难题 由于在保存过程中受到各种因素的影响, 古老 标本中的 DNA 均存在较为严重的降解现象, 导致古 老 DNA 研究中存在两大难题. 难题之一是技术方面, 即如何从标本中提取出 DNA, 扩增出相关的目的片 段, 并有效地防止外源 DNA 的污染. 针对这一难题, 目前有较多的研究经验和建议, 如采用比较特殊的 DNA 提取方法和技术; 多次独立地对同一样品、同 一标本的不同部位取样进行分析[4~6]; 在不同实验室 独立进行实验操作, 互相印证[6,7]; 与来自同一遗址 中其他标本 DNA 的成功提取作为对照[8] , 或进行其 他形式分析[6,9] , 看该遗址是否适合古老 DNA 的保 存. 古老 DNA 研究的难题之二, 是如何对所获得的 短的古老DNA序列进行有效地破译, 这些DNA序列 通常是位于 mtDNA 控制区第 1 高变区(hypervariable segmentⅠ of mtDNA control region, HVSⅠ)的 100 ~ 300 bp 片段. 这一难题的准确解决与否, 直接关系到 结论的正确性. 目前普遍采用的做法是将古老 DNA 序列和现代人序列放在一起, 构建系统发育树或网 络关系图, 比较其中古老样本和现代样本的聚类情 况[10~13] . 这种做法虽然大多基于距离法或简约性原 则, 但由于分析的片段非常短, 信息有限, 古老样本 和现代人样本的聚类关系在由不同参数设置构建的 系统树中可能不同[14,15] . 而且, 将现代人序列剪切成 和古老 DNA 片段一样的长度, 根据距离法构建个体 或群体间的系统发育树而不考虑世系(lineage)间真 实的系统发育关系, 往往不能充分地揭示片段中区 分 mtDNA 单倍型类群(haplogroup)归属的有限信息, 会得出一些非常奇怪的结果. 一个比较典型的例子 就是 Wang 等人[11]的工作. 他们分析了我国山东淄博 地区距今 2500 和 2000 年前[10]及现代人群 mtDNA 185 bp 序列数据, 认为 2500 年前的淄博人群和现代 欧洲人群比较相似, 2000 年前的淄博人群则表现为 现代欧洲和东亚人群的中间类型; 过去 2500 年内我 国北方人群母系基因库发生了由欧洲型向东亚型的 替代. 这种“替代”推测一方面和我国人群的迁移历 史[16]有较大出入, 同时也与该小组近期工作[17]相矛 盾. 一方面, 他们推测认为过去 2500 年内, 我国北方