欧洲西北部晚期尼安德特人遗传多样性研究

《Nature》：Genetic diversity of late Neanderthals in northwestern Europe

　　

摘要：考古学、骨骼学和遗传学证据表明，尼安德特人曾以小群体形式生活^1,2；然而，对于这些群体是孤立社区的一部分还是属于更大、联系更紧密的种群的一部分，目前知之甚少³。比利时默兹盆地密集分布的、大致同时代的尼安德特人遗址⁴，为高分辨率研究区域种群提供了难得的机会。本研究从比利时和法国10个考古遗址的27个生活在大约52,500年前以内的尼安德特人个体中获取了遗传数据，其中包括一个来自比利时戈耶特遗址、距今45,000年的高覆盖度基因组。研究人员发现，这些个体中的大多数彼此之间的亲缘关系比与欧洲其他同时代的晚期尼安德特人更为接近。此外，其中一些个体携带了来自晚于晚期尼安德特人分化之前的尼安德特人谱系的DNA。尽管这些尼安德特人在大约47,000年前与欧洲西北部的早期现代人类在时间上存在重叠，但研究人员没有发现近期来自现代人类基因流的证据。他们也未表现出在阿尔泰尼安德特人中发现的近亲交配的遗传特征，这表明他们生活在更大或联系更紧密的群体中。此外，遗传负荷并未随时间累积，这反驳了渐进性遗传退化是尼安德特人灭绝驱动因素的观点。

**论文解读：欧洲西北部晚期尼安德特人的遗传多样性、种群结构与灭绝前状态**

**研究背景与问题**
尼安德特人是人类演化史上的关键一支，其生存时间跨度从至少约43万年前持续到约4万年前。尽管已有研究揭示了尼安德特人的部分遗传特征及其与现代人类的互动，但关于其种群结构、内部多样性、特别是其灭绝前夕在欧洲西北部群体的具体状况，仍存在诸多未解之谜。关键问题包括：晚期尼安德特人群体是孤立的还是相互联系的？他们的遗传多样性水平如何？是否存在近亲繁殖？在与早期现代人类共存时期，双方是否有基因交流？以及，遗传负荷的累积是否导致了他们的灭绝？解答这些问题对于理解尼安德特人的社会结构、适应能力及其最终消失的原因至关重要。

**研究概述与意义**
为深入探究上述问题，一个国际研究团队对来自比利时和法国10个考古遗址的27个晚期尼安德特人个体（生活年代小于约52,500年前）进行了系统的古DNA分析。这项研究最重要的成果之一是获得了来自比利时戈耶特遗址、距今45,000年的一个尼安德特人个体（GN1）的高覆盖度基因组，这是迄今为止测序的第五个高覆盖度尼安德特人基因组。同时，研究人员还利用定制的捕获技术（ArchaicPlus panel）从保存状况较差的其他标本中获取了全基因组范围的核数据。相关成果发表在《自然》杂志上，极大地增进了我们对尼安德特人最后阶段种群遗传学的认识。

**关键技术方法**
本研究综合运用了多种前沿的古DNA研究技术。首先，对骨骼样本进行微采样，并采用优化的去污染、提取和单链建库方案，以最大限度地回收高度降解的DNA。其次，针对内源性DNA含量低的样本，设计并使用了靶向约230万个单核苷酸多态性（SNP）的ArchaicPlus杂交捕获探针组，专门用于获取尼安德特人和丹尼索瓦人的变异信息。此外，研究还进行了线粒体DNA和Y染色体富集捕获，以分析母系和父系谱系。所有分析均严格进行质量控制，包括利用胞嘧啶脱氨化特征（古代DNA的标志）来过滤现代人类DNA污染，并使用多种方法（如KIN软件）进行个体鉴定和亲缘关系分析。样本主要来源于比利时默兹盆地及法国部分遗址的考古发掘。

**研究结果**
**1. 个体鉴定与亲缘关系**
通过对15个污染率低于5%的骨骼遗存进行遗传亲缘关系分析，研究人员在戈耶特遗址的个体中鉴定出两个遗传上完全相同的遗存簇：GN1（由Goyet Q56-1、Q374a-1和Q305-7组成）和GN2（由Goyet Q57-1、Q57-2、Q57-3以及Q54-4组成）。此外，来自斯皮遗址的右股骨（Spy 8）与之前测序的上第三臼齿（Spy 94a）被确认为同一个成年男性个体（合并称为Spy94a_8）。除了这些匹配，在这些尼安德特人中没有发现直至三级亲缘关系的近亲。值得注意的是，戈耶特遗址的测序个体包括无关的成年/青少年女性和幼年男性个体，其中有一个新生儿的母亲并不在已分析的女性个体中，这与在俄罗斯Chagyrskaya洞穴发现多个近亲个体的尼安德特人群体形成鲜明对比。

**2. 单亲遗传标记的分子测年**
线粒体DNA系统发育分析显示，大多数新重建的线粒体基因组属于一个包含来自南欧、西欧以及俄罗斯Mezmaiskaya 2的晚期尼安德特人的大支系。例外的是来自比利时库万的尼安德特人（Couvin G6-0083），其线粒体DNA与来自法国曼德林遗址的“索林”尼安德特人属于同一深度分化的谱系。Y染色体分析则表明，新测序的男性个体的Y染色体并不按地理聚类，且均与Spy94a_8的Y单倍型不同，其中Fonds-de-Forêt 1和Trou Magrite 2422-36的Y染色体与Chagyrskaya的Y染色体最为相似，而Goyet Q305-1的则与Mezmaiskaya 2的最为相似。

**3. 杂合度与种群规模**
对GN1的高覆盖度基因组分析显示，其常染色体全基因组杂合度为1.51 × 10^-4，处于已知尼安德特人变异范围内，但显著低于现代人类。利用成对序贯马尔可夫合并模型（PSMC）推断的GN1种群历史与来自克罗地亚的Vindija 33.19尼安德特人非常相似。对纯合血统片段（HBD）的分析表明，GN1基因组中HBD片段的比例（6.6%–22.3%）更接近Vindija 33.19，而与Chagyrskaya 8和D5（Denisova 5）尼安德特人不同，且GN1没有表现出由近期近亲繁殖导致的长HBD片段（>10厘摩）的过量存在。

**4. 晚期尼安德特人的种群结构**
种群亲和性分析（D统计量和外群f₃分析）表明，来自Fonds-de-Forêt、Spy、Goyet和Trou Magrite的尼安德特人与GN1的遗传相似度显著高于与Vindija 33.19的相似度。总体而言，这些来自比利时和法国的晚期尼安德特人彼此之间的亲缘关系比与来自Vindija和Mezmaiskaya的同时代尼安德特人更近，这与他们的地理位置相符。然而，来自法国Arcy-sur-Cure的AR-30个体（约42,000年前）则属于一个更早（约131,000年前）与Vindija 33.19谱系分离的种群。

**5. 无近期现代人类基因渗入**
尽管这些尼安德特人的生活年代（约49,800–40,000年前）与早期现代人类在欧洲出现的时间存在重叠，但利用admixture软件在所有分析的尼安德特人基因组中均未检测到近期现代人类基因渗入的证据（发现的最长疑似现代人类DNA片段仅0.41厘摩）。这与所有早于4万年前的欧亚早期现代人类基因组中都含有尼安德特人祖先成分形成对比，暗示了基因流动的不对称性。

**6. 现代人类中的尼安德特人祖先成分**
重新分析表明，现代人类（非洲人群除外）中的尼安德特人祖先成分与Vindija 33.19和GN1的相似度显著高于与Chagyrskaya 8或D5的相似度。尽管在将所有现代个体合并分析时，尼安德特人祖先成分似乎更接近Vindija 33.19而非GN1，但这种差异仅在合并分析中显著。而在几个拥有近期尼安德特人祖先的更新世现代人类中，其尼安德特人祖先成分与Vindija 33.19和GN1的接近程度没有显著差异。

**7. 尼安德特人的消失**
通过比较错义变异与同义变异之比（pN/pS）以及使用polyPhen2和phyloP保守性评分，研究人员评估了尼安德特人的遗传负荷。结果显示，尽管所有尼安德特人都存在非同义变异的贫化，但早期与晚期尼安德特人之间在pN/pS或两种保守性评分上均无显著差异。结合未观察到纯合片段增加或杂合度降低，这些结果与“累积遗传负荷或多样性随时间减少是尼安德特人灭绝主要驱动因素”的模型不一致。

**讨论与结论**
研究人员在讨论部分总结道，GN1高覆盖度基因组的测序为研究比利时和法国尼安德特人消失前夕的遗传多样性建立了一个关键参考点。结合从更多保存状况差的遗存中获取的低覆盖度基因组数据，本研究提供了晚期尼安德特人遗传多样性的概览。研究表明，即使低覆盖度的核基因组数据，在与古人类学背景结合时，也能显著提高对尼安德特人内部多样性的分辨率。

尽管戈耶特的个体与默兹河谷的其他尼安德特人形成了一个独特的遗传聚类，但同位素值表明他们并非该地区的本地居民。此外，该组合由遭受过同类相食的、无关的女性和两个幼年个体遗骸组成，表明他们并非一个家庭群体。值得注意的是，研究人员发现默兹盆地内及之间尼安德特人遗址的遗传分化较低。考虑到GN1和Vindija 33.19缺乏Chagyrskaya 8和D5尼安德特人中存在的长HBD片段，研究人员得出结论：这些西欧尼安德特人比来自阿尔泰地区的丹尼索瓦和Chagyrskaya尼安德特人具有更高的遗传多样性和更强的连通性，这表明近亲交配并非所有尼安德特人群体的共同特征。Arcy-sur-Cure的核数据和库万的线粒体基因组暗示了晚期尼安德特人更复杂的种群结构，但需要更高质量的数据来证实。总体而言，遗传数据表明欧洲西北部晚期尼安德特人群体之间存在实质性的连通性，这与距离隔离模式一致。这种连通性可能源于中更新世和晚更新世气候驱动的种群收缩与扩张大框架下的阶段性区域开放期，而非永久性的生物地理交叉点。

最后，研究人员发现，尽管欧洲的晚期尼安德特人与早期现代人类在时间上重叠，但所有分析的尼安德特人基因组均未显示近期现代人类基因渗入的证据。此外，现代人类中尼安德特人片段与Vindija 33.19的亲缘关系比与GN1更近，表明现代人类与尼安德特人之间的基因流动可能主要发生在欧洲西北部之外。这些发现共同描绘了尼安德特人在其历史最后阶段相对连通、遗传多样且未显示近期近亲繁殖或现代人类基因渗入的种群图景，挑战了关于其灭绝是由于遗传退化或完全孤立的传统观点。