40万年前的“北京人”，与我们有血缘关系？赛先生
中国科研团队首次从40万年前的直立人牙齿中提取古蛋白，证实他们曾与丹尼索瓦人发生基因交流，而这些古老基因至今仍流淌在部分亚洲人的血脉中。
周口店北京人遗址，中间为北京人复原像。图源：维基百科
5月13日发表在《自然》杂志上的一项新研究揭示[1]，距今约40万年前的中国直立人和同一时期的丹尼索瓦人存在基因交流，这些基因间接渗入了现代菲律宾人等亚洲人群。
这是中国科学院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹研究团队，联合安徽省文物考古研究所、和县文化旅游体育局、洛阳市考古研究院、栾川县文广旅局、河北地质大学等多家单位合作完成的中国中更新世直立人的古蛋白组学研究成果。
研究团队通过酸蚀刻微损取样技术，在不破坏化石完整形态的前提下，首次成功从北京周口店、安徽和县、河南孙家洞三个遗址距今约40万年的6颗中更新世直立人牙齿化石中（图1）获取了具有系统发育信息的内源性牙釉质蛋白数据。
图1：中国中更新世直立人遗址的地理位置及该研究样品信息 图源：论文[1]
这是全球范围内首次获得具有直立人鉴定特征的分子信息，标志着古蛋白质组学正式迈入可以独立破解人类演化历史的新纪元。
未参与该研究的哈佛大学遗传学家David Reich盛赞该研究，称其为“杰作”（tour de force），非常重要，令人兴奋，并称自己从中学到了很多。“微创取样是目前的最佳实践。我相信，这项研究团队取得的惊人成果，会鼓励更多博物馆开放标本供类似分析使用。这项研究的重要意义在于，它表明约40万年前，中国南北方存在一个相对统一的古老人群。他们在形态上属于直立人，但与后来的丹尼索瓦人共享大量祖源。” David Reich 告诉《赛先生》。
审稿者之一、丹麦哥本哈根大学古蛋白质组学家Enrico Cappellini在审稿意见中写道：“研究结果具有原创性并有高度意义。数据是用最前沿的方法产生的。结论稳健可靠，对人类演化和东亚遗传渗入事件的知识进展做出了实质性的贡献。”
填补了直立人古遗传学研究的空白
目前学术界一般认为古人类走出非洲并扩散到欧亚大陆有三波：第一波是直立人；第二波是尼安德特人和丹尼索瓦人的祖先，他们在欧洲成为尼安德特人，在亚洲成为丹尼索瓦人；第三波即现代人类，也就是我们自己。
尼安德特人和丹尼索瓦人及现代人类互相基因交流的基因证据已经确定，但直立人是否有基因遗存却迟迟没有证据。该研究给出了肯定的答案，并指出直立人的基因间接流传到了现代人类。
此前，直立人的古遗传学研究长期处于近乎空白的状态。该论文共同作者之一、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员邢松告诉《赛先生》：“最初直立人是依靠形态学定义的，包括低矮脑颅、粗壮的眶上圆枕、较厚的头骨骨壁、枕部角状转折等。”
东亚直立人生活在东亚地区距今210万年至30万年的漫长时期。然而，其久远的年代和传统破坏性取样方式严重制约了对这些珍贵样本的分子研究，使一系列人类演化的关键科学问题长期悬而未决。
另外，在化石资源丰富的东亚区域，这一空白的形成，主要由于存在一道长期无法逾越的根本性障碍：古老人类化石因其稀缺性，往往不易被批准用于传统上对化石可能造成损伤的分子研究，尤其是需要大量釉质用于实验的牙釉质的蛋白研究，对化石形态影响较大。
研究团队突破了这一障碍，摸索并创新提出了一套近乎“无损”的评估和取样方案——酸蚀刻法微损取样技术。区别于此前直接消耗大块牙釉质或将牙釉质钻粉的传统做法，该技术仅将牙釉质表面接触微量酸液进行短时间酸蚀反应，仅消耗小面积的表面牙釉质，在基本不影响化石形态的前提下高效获取内源性蛋白。
未参与该研究的瑞典乌普萨拉大学遗传学家Carina Schlebusch称该研究十分令人兴奋，并且十分重要。她告诉《赛先生》：“这种近乎无损的取样方法十分重要。博物馆长们当然对破坏性取样十分谨慎，尤其对于偶像级的化石而言。如果研究者可以从非常少量的牙釉质样本取得分子数据，这会打开很多博物馆的大门。我认为因为这个新方法以后会有很多古蛋白的研究问世。”
该论文第一作者兼通讯作者、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员付巧妹向《赛先生》介绍了该研究使用的其他技术和方法：“双质谱测序与多重数据分析交叉验证方法建立了一套可复制的质控体系，为古蛋白组数据的真实性提供了多重保障；特定氨基酸变异的DNA关联分析方法则首次使古蛋白组数据服务于基因渗入和群体历史的精细推断——不同于以往依赖古DNA的先验数据，而以古蛋白为线索反向指引相关基因组分析。”
在上述严密的质控体系下，研究得以成功从周口店（1颗，距今约42万年）、和县（2颗，距今约41万年）和孙家洞（3颗，距今约40万年）的6颗牙齿及作为对比的哈尔滨丹尼索瓦人个体（1颗，距今至少14.6万年）牙齿中，鉴定出6～11种内源性釉质相关蛋白，包含650～3457个肽段，所构建的一致序列覆盖了6个直立人个体及哈尔滨个体的269～903个氨基酸位点。
图2：和县猿人头盖骨发现处。图源：和县文化旅游体育局
这些内源性牙釉质蛋白数据，将东亚古人类蛋白组的时间上限从约16万年前（甘肃夏河丹尼索瓦人）推至至少40万年前。在此之前，全球直立人唯一发现的分子生物学证据是距今约177万年前的格鲁吉亚德马尼西直立人的牙釉质古蛋白，但其与其他古人类无法区分。距今约95万年的西班牙阿塔普埃尔卡先驱人也测出了牙釉质古蛋白，但他们不属于直立人[2]。
付巧妹告诉《赛先生》：“该方法如可以应用到沂源、公王岭、南京、元谋等直立人地点，会对他们的演化地位有更深层次的了解。”
未参与该研究的英国伦敦自然历史博物馆的古人类学家Chris Stringer告诉《赛先生》：“这样的研究在很多地方正在进行，包括我所在的自然历史博物馆。”
Chris Stringer对古蛋白研究的前景持乐观态度。他说：“古蛋白研究不太可能取代古DNA研究，因为高质量的DNA含有多得多的信息。但对于时代久远的样本和热带和亚热带的样本，古蛋白质组学也许是提供遗传信息的唯一来源。古蛋白质组学还在发展早期，就像古DNA研究25年前一样，所以有很多工作可以做。”
此外，研究还开发了一种基于牙釉质中釉原蛋白特异性肽段比例来推断古人类性别的方法。周口店样本、2个和县样本、2个孙家洞样本及哈尔滨样本被推断为男性；剩余1个孙家洞样本被推断为女性。
发现东亚直立人的独特分子标记
研究人员系统比较了这些古蛋白中的关键单氨基酸多态性位点，以寻找能够区分不同古人类的“分子指纹”。他们重点比对了现代人、尼安德特人、丹尼索瓦人，以及黑猩猩、大猩猩和猩猩等灵长类动物的数据。经过严格验证后，团队发现了一个此前从未见过的关键突变——成釉蛋白（AMBN）A253G。
该突变在所有6个直立人样本中均被鉴定出来，且在已发表的任何其他古人类（包括德马尼西直立人、阿塔普埃尔卡先驱人、所有尼安德特人、所有丹尼索瓦人）、现代人类及其他现生或化石灵长类动物中均未发现。
在系统发育分析层面，研究构建了包括6个东亚直立人和1个哈尔滨丹尼索瓦人个体在内的内源性蛋白质对比数据集，结果显示，哈尔滨个体与丹尼索瓦3号个体构成单系群，而6个东亚直立人则明确聚为一支，这意味着，尽管周口店、和县、孙家洞的直立人在形态上有些差异，但他们在遗传上高度相似，同属于一个区别于尼安德特人、丹尼索瓦人及现代人的东亚中更新世直立人演化支系。
建立直立人与现代人的遗传关联
在所有6个东亚中更新世直立人样本中，研究团队还鉴定出另一个共同关键突变——AMBN M273V。
此前，这一突变只在丹尼索瓦人，以及少数受到丹尼索瓦人遗传影响较深的现代人群中发现过，例如菲律宾人、印度人和巴布亚新几内亚人。其中它在菲律宾人中占比21%，印度人中占比1.17%，巴布亚新几内亚人中占比0.71%，在其他现代人类人群中几乎不存在。
新数据显示，年代较古老的丹尼索瓦人，如距今至少14.6万年的哈尔滨个体、距今约20万年的丹尼索瓦25号个体，在该位点呈现杂合状态，而该研究中的六个直立人样本均是纯合状态。这表明，该位点不是丹尼索瓦人特有的，而是起源于这些直立人。
直立人和丹尼索瓦人的共存时间窗口有多久？丹尼索瓦人和现代人类的共存期有多久？这两个问题的答案决定了有多大规模的基因交流事件发生，和多少基因从直立人流向丹尼索瓦人并进而流入现代人类。
兰州大学教授、甘肃夏河丹尼索瓦人的主要研究者张东菊分析：“目前，丹尼索瓦人的生存时间尚不明确，从考古学证据来看，丹尼索瓦洞最早的丹尼索瓦人DNA发现层位的年代是28万年，我们在白石崖溶洞的丹人肋骨化石是4.2万年，这是最晚的丹人活动的考古证据，因此，保守估计丹人生存时间至少是从距今28-4.2万年，而如果从DNA分析推算的丹尼分化时间来看，丹人最早出现时间可能早至距今47-38万年，因此，丹人可能的最长生活时段是距今47-38万至距今4.2万。这个是目前认知的丹人的生存时间。从该论文来看，直立人在东亚确定延续至了距今约40万年左右，甚至更晚，因此从DNA推算的丹人出现时间看，丹人与直立人可能重叠了至少几万年时间。”
关于与现代人的共存，张东菊认为，“如果以距今12-7万年的道县人化石作为中国最早发现的现代人化石，丹人和现代人在东亚的共存可长达8-3万年，如果以明确的距今约4.5万年的田园洞人化石及同期多个现代人遗址来看，丹人与现代人的共存时间为至少3000年。”
这意味着，在中更新世晚期的东亚，晚期直立人与早期丹尼索瓦人可能在同一广袤的区域（可能包括现今中国大部）长期共存，为两个人群间的基因交流创造了机会，使得源自直立人的古老基因得以流入丹尼索瓦人基因组后，又通过丹尼索瓦人的基因渗入事件，传递到当今东亚、南亚、东南亚和大洋洲人群的基因组中，最终对现代人群产生了深远的遗传影响 （图3）。
