北京時(shí)間2023年9月1日，國際學(xué)術(shù)期刊Science在線發(fā)表了中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所李海鵬研究組與華東師范大學(xué)腦功能基因組學(xué)研究所潘逸萱研究組合作的題為“Genomic inference of a severe human bottleneck during the Early to Middle Pleistocene transition”的最新研究成果。該研究創(chuàng)建了快速極小時(shí)間溯祖（FitCoal）新理論，并發(fā)現(xiàn)人類在早、中更新世過渡期由于氣候環(huán)境的急劇變化經(jīng)歷了嚴(yán)重的群體瓶頸，人類祖先近乎滅絕。
史前人口數(shù)量的變化，綜合反映了該時(shí)期氣候環(huán)境的變遷，所以通過群體遺傳學(xué)的研究方法進(jìn)行回溯，可以更深入地了解現(xiàn)代人類的形成。已有化石記錄表明，最近100萬年是人類進(jìn)化的關(guān)鍵時(shí)期，但人類群體歷史的研究多局限于最近的30~10萬年內(nèi)。雖然近年來古DNA測序技術(shù)迅猛發(fā)展，但由于炎熱條件不利于DNA的保存，無法從30萬年前非洲人類祖先化石中提取古DNA。所以該研究通過群體遺傳學(xué)新理論分析現(xiàn)代人群基因組，研究百萬年前的群體歷史。
史前雖然沒有文字記載群體數(shù)量，但有效群體大小會影響每個世代的溯祖率，也就是兩個譜系在上一世代來自同一祖先的概率。因此人類祖先曾在群體基因組中留下印記，反映當(dāng)時(shí)的群體大小。群體歷史越久遠(yuǎn)，留存至今的印記信號越微弱。為準(zhǔn)確解讀這些信號，進(jìn)而準(zhǔn)確估算百萬年前人類群體歷史，研究人員創(chuàng)建了群體遺傳學(xué)和計(jì)算生物學(xué)新理論，快速極小時(shí)間溯祖FitCoal。遵循這一理論進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，獲得在任意群體模型下各突變類型（即突變頻譜）對應(yīng)溯祖樹枝長期望值的解析解，并獲得精確的似然值，即在群體歷史條件下觀察到樣本突變頻譜的概率。因此無需事先獲得群體歷史的先驗(yàn)知識，F(xiàn)itCoal即可自動快速搜尋出極大似然值，從而估算群體歷史，對古人類群體進(jìn)行“人口普查”。
研究人員通過設(shè)定群體歷史模型（true model）并分析模擬產(chǎn)生的DNA多態(tài)數(shù)據(jù)，衡量估計(jì)群體歷史的無偏性和95%置信區(qū)間，即可評判一個分析方法的準(zhǔn)確程度。圖1顯示了兩個群體歷史模型的分析結(jié)果，可以看出FitCoal估計(jì)的群體歷史不但是無偏的，而且其置信區(qū)間也小于目前領(lǐng)域內(nèi)常用的PSMC，Stairway Plot和SMC++三種方法。研究人員進(jìn)一步通過大量的計(jì)算機(jī)模擬，分析不同條件下的群體歷史，包括群體交融和自然選擇，所有結(jié)果均表明FitCoal可以精準(zhǔn)地估計(jì)百萬年內(nèi)的人類群體歷史。
圖1、FitCoal, PSMC, Stairway Plot和SMC++估計(jì)的群體歷史
基于FitCoal，研究人員進(jìn)一步分析了來自千人基因組計(jì)劃和HGDP-CEPH基因組計(jì)劃產(chǎn)生的、共50個現(xiàn)代人類群體的基因組數(shù)據(jù)，首次發(fā)現(xiàn)在距今93.0萬年前，人類祖先由于早、中更新世過渡期的氣候劇烈變化，在短期內(nèi)喪失了約98.7%的成員個體，幾乎滅絕。在長達(dá)11.7萬年的時(shí)間里平均成年個體數(shù)僅為1,280，并且從千人基因組和HGDP-CEPH兩組獨(dú)立數(shù)據(jù)獲得這一群體大小的估值幾乎完全一致，分別為1,270和1,300。考慮到群體數(shù)量的自然波動，這一平均估值代表了遠(yuǎn)古群體瓶頸期間最小群體數(shù)量的上限。研究人員采用HGDP-CEPH數(shù)據(jù)集的兩個南部非洲群體作了進(jìn)一步驗(yàn)證，雖然樣本量僅為6個和8個個體，但FitCoal依然檢測到了遠(yuǎn)古群體瓶頸。對非洲群體樣本重抽樣的研究結(jié)果表明，僅需3個非洲個體的基因組，F(xiàn)itCoal即可檢測到這一遠(yuǎn)古群體瓶頸，進(jìn)一步表明計(jì)算生物學(xué)創(chuàng)新成就了這一發(fā)現(xiàn)。
這一嚴(yán)重的遠(yuǎn)古群體瓶頸，恰好與非洲人類祖先化石的缺失環(huán)節(jié)、非洲直立人（Homo erectus）化石的消失、新的古人類物種（LCA）的形成、兩條古人類2號染色體的融合階段相對應(yīng)（圖2）。進(jìn)一步說明早、中更新世過渡期嚴(yán)重的群體瓶頸對人類進(jìn)化具有關(guān)鍵影響，可能決定了現(xiàn)代人類許多關(guān)鍵表型的形成。并且這一遠(yuǎn)古時(shí)期群體數(shù)量的衰減，降低了65.85%現(xiàn)代人群的遺傳多樣性，對人類生命和健康產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
圖2、人類祖先在早、中更新世過渡期經(jīng)歷的嚴(yán)重群體瓶頸（圖片右側(cè)對應(yīng)非洲古人類化石缺失環(huán)節(jié)和不同的化石分類、2號染色體的融合時(shí)間，其中LCA指現(xiàn)代人類、尼安德特人和丹尼索瓦人的共同祖先）
這一人類進(jìn)化史上的重大發(fā)現(xiàn)，是國際合作研究成果，由中國科學(xué)家主導(dǎo)，聯(lián)合了意大利羅馬大學(xué)（Giorgio Manzi博士）、佛羅倫薩大學(xué)（Fabio Di Vincenzo博士）和美國德克薩斯大學(xué)（Yun-Xin Fu博士）共同完成。中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所博士畢業(yè)生、華東師范大學(xué)原實(shí)習(xí)生胡王杰博士和中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所博士畢業(yè)生、山東第一醫(yī)科大學(xué)助理研究員郝子謙博士為該發(fā)現(xiàn)的共同第一作者，中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所李海鵬博士和華東師范大學(xué)腦功能基因組學(xué)研究所潘逸萱博士為該發(fā)現(xiàn)的共同通訊作者。該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、美國國立衛(wèi)生研究院、山東省自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所和華東師范大學(xué)、以及濟(jì)南市市校融合發(fā)展戰(zhàn)略工程項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的資助。
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