最早发表基因测序论文

群体遗传学最早起源于英国数学家哈迪和德国医学家温伯格于1908年提出的遗传平衡定律。以后，英国数学家费希尔、遗传学家霍尔丹(Haldane JBS)和美国遗传学家赖特(Wright S)等建立了群体遗传学的数学基础及相关计算方法，从而初步形成了群体遗传学理论体系，群体遗传学也逐步发展成为一门独立的学科。群体遗传学是研究生物群体的遗传结构和遗传结构变化规律的科学，它应用数学和统计学的原理和方法研究生物群体中基因频率和基因型频率的变化，以及影响这些变化的环境选择效应、遗传突变作用、迁移及遗传漂变等因素与遗传结构的关系，由此来探讨生物进化的机制并为育种工作提供理论基础。从某种意义上来说， 生物进化就是群体遗传结构持续变化和演变的过程， 因此群体遗传学理论在生物进化机制特别是种内进化机制的研究中有着重要作用。在20世纪60年代以前，群体遗传学主要还只涉及到群体遗传结构短期的变化，这是由于人们的寿命与进化时间相比极为短暂，以至于没有办法探测经过长期进化后群体遗传的遗传变化或者基因的进化变异，只好简单地用短期变化的延续来推测长期进化的过程。而利用大分子序列特别是DNA序列变异来进行群体遗传学研究后，人们可以从数量上精确地推知群体的进化演变， 并可检验以往关于长期进化或遗传系统稳定性推论的可靠程度。同时， 对生物群体中同源大分子序列变异式样的研究也使人们开始重新审视达尔文的以“自然选择”为核心的生物进化学说。20世纪60年代末、70年代初，Kimura、King和Jukes相继提出了中性突变的随机漂变学说: 认为多数大分子的进化变异是选择性中性突变随机固定的结果。此后，分子进化的中性学说得到进一步完善，如Ohno关于复制在进化中的作用假说: 认为进化的发生主要是重复基因获得了新的功能，自然选择只不过是保持基因原有功能的机制；Britten甚至推断几乎所有的人类基因都来自于古老的复制事件。尽管中性学说也存在理论和实验方法的缺陷， 但是它为分子进化的非中性检测提供了必要的理论基础。“选择学说”和“中性进化学说”仍然是分子群体遗传学界讨论的焦点。研究进展于DNA序列变异检测手段的实验分子群体遗传学研究始于1983年， 以Kreitman发表的“黑腹果蝇的乙醇脱氢酶基因位点的核苷酸多态性”一文为标志。以植物为研究对象的实验分子群体遗传学论文最早发表于20世纪90年代初期， 但是由于当时DNA测序费用昂贵等原因， 植物分子群体遗传学最初发展比较缓慢， 随着DNA测序逐渐成为实验室常规的实验技术之一以及基于溯祖理论的各种计算机软件分析程序的开发和应用， 实验分子群体遗传学得到了迅速的发展， 相关研究论文逐年增多， 研究的植物对象主要集中在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.)及重要的农作物如玉米(Zea mays L.)、大麦(Hordeum vulgare L.)， 水稻(Orazy sativa L.)、高粱(Sorghum bicolor L.)、向日葵(Helianthus annuus L.)等上。其研究内容涵盖了群体遗传结构(同源DNA分化式样)、各种进化力量如突变， 重组，连锁不平衡、选择等对遗传结构的影响、群体内基因进化方式(中性或者适应性进化)、群体间的遗传分化及基因流等。同时， 通过对栽培物种与野生祖先种或野生近缘种的DNA多态性比较研究， 分子群体遗传学在研究作物驯化的遗传学原因及结果等也取得了重要的进展， 如作物驯化的遗传瓶颈， 人工选择对驯化基因核苷酸多态性的选择性清除(selective sweep)作用等等。群体遗传学的研究基础是DNA序列变异。同源DNA序列的遗传分化程度是衡量群体遗传结构的主要指标， 其分化式样则是理解群体遗传结构产生和维持的进化内在驱动力诸如遗传突变、重组、基因转换的前提。随着DNA测序越来越快捷便利及分子生物学技术的飞速发展， 越来越多的全基因组序列或者基因序列的测序结果被发表， 基因在物种或群体中的DNA多态性式样也越来越多地被阐明。植物中， 对拟南芥和玉米基因组的DNA多态性的调查最为系统，研究报道也较多。例如， Nordborg等对96个样本组成的拟南芥群体中的876个同源基因片段(0.48 Mbp)的序列单核苷酸多态性进行了调查， 共检测到17 000多个SNP， 大约平均每30 bp就存在1个SNP位点。而Schmid等的研究结果显示: 拟南芥基因组核甘酸多态性平均为0.007( W)。Tenaillon等对22个玉米植株的1号染色体上21个基因共14 420 bp序列的分析结果显示玉米具有较高的DNA多态性(1SNP/27.6 bp、 =0.0096)。Ching等研究显示: 36份玉米优系的18个基因位点的非编码区平均核苷酸多态性为1SNP/31 bp， 编码区平均为1SNP/124 bp， 位点缺矢和插入则主要出现在非编码区。此外， 其他物种如向日葵、马铃薯(Solanum tuberosum)、高粱、火矩松(Pinus taeda L.)、花旗松(Douglas fir)等中部分基因位点的DNA多态性也得到调查， 结果表明不同的物种的DNA多态性存在较大的差异。

北美洞穴里的收获

在美国俄勒冈州古老的佩斯利洞穴里，考古学家们常常会有不错的收获。在洞里的沉积物中，埋藏着大量的石器矛尖、动物骨骼、植物纤维、绳索和兽皮。放射性碳年代测试法表明，它们的年代都非常久远了。2014年，一位名叫艾斯克·威勒斯列夫的丹麦科学家慕名而来，希望在佩斯利洞穴找到一些古骆驼或者古野马的遗骸化石。他正在研究一个在“圈外人士”看来异常深奥难懂的课题——测序远古生物的DNA，即，用科学的方法将遗传物质从有着成千上万年历史的样本中分离出来。

俄勒冈州立大学的丹尼斯·詹金斯教授就是一位“圈外人士”，他作为佩斯利洞穴考古项目的负责人，起初并不太看好威勒斯列夫的工作。詹金斯说道：“我觉得，他（威勒斯列夫）可以来这里考察并撰写论文，但如果他的研究让我不爽，那么我不会允许他带走任何样品。”但最终，威勒斯列夫不仅为哥本哈根大学的实验室带回了古骆驼和古野马的骨头，另外还带回了14块人类粪便的化石。詹金斯后来承认，威勒斯列夫的考古结果让他惊掉了下巴，因为威勒斯列夫从6块粪便化石中提取出了线粒体DNA。这些线粒体DNA显示出粪便的主人属于单倍群A2和B2——本土印第安人的两个主要遗传谱系的起点，它们的年代甚至比北美已知最古老的克洛维斯人还要早1000多年。

很显然，威勒斯列夫的发现会重新校准人们对美洲大陆早期原住居民的认识，这已经不是威勒斯列夫第一次用古代基因重写人类历史了。他已经测序过许多古人类的基因，比如格林兰岛上一个4000岁的古爱斯基摩人、西伯利亚冻土的一个24000岁高龄的小孩以及美国蒙大拿州的一个12000多岁的婴儿。在短短几年里，威勒斯列夫的这些研究解开了人类早期历史中的许多秘密。

探险西伯利亚

威勒斯列夫并不是第一个试图分析古生物遗传物质的人，早在20世纪80年代，这种开创性的研究已经应用在尼安德特人和古埃及木乃伊身上了。但是，威勒斯列夫很小的时候就对远古历史有着一种异常的痴迷，这使他能够在这个竞争愈发激烈的研究领域长期处在前沿的位置。

威勒斯列夫出生于哥本哈根附近的郊区，孩童时期，他常常随着家人到古老森林中做家庭旅行。登山、滑雪、伐木等活动使他对北极探险养成了兴趣，而古代狩猎者的传说又让他迷上了生物学和历史学。威勒斯列夫决定，等到差不多的年龄，自己一定要到更广阔的冻土——西伯利亚探险一番。

进入大学后，威勒斯列夫觉得时机成熟了，他和双胞胎弟弟一起划着一叶扁舟，在西伯利亚的河网旅行，在河床的冻土地带，他见到了一些远古巨型动物的遗骸，比如猛犸象。威勒斯列夫听说，在西伯利亚冻原的北部，生存着神秘的尤卡吉尔人。这些人是一群北极古代人的遗族，以捕猎麋鹿和驼鹿为生，由于他们长期在世界上气候最严酷的地区生活，贫困、侵略和疾病已经将尤卡吉尔人带至了灭绝的边缘。“没人知道他们在哪里，”威勒斯列夫说道，“当时在地图上标有一些村庄，然而我却连他们的影子都没找到。”此后的几年里，威勒斯列夫沿着19世纪人类学家的脚步在西伯利亚苦苦追寻，终于，一位浑身伤疤累累的老猎人将威勒斯列夫带到了尤卡吉尔人的部落。然而，令威勒斯列夫感到有些意外的是，尤卡吉尔人并不是一个完全与世隔绝的孤立部落，事实上，他们几乎所有人的祖先都有俄罗斯人和其他族群的血统，威勒斯列夫也只找到了一个讲尤卡吉尔人当地语言的老人。

复原古人类基因

博士毕业后，威勒斯列夫开始把寻找古人类基因作为重要任务，他希望能够理清诸如尤卡吉尔人祖先的古代人的历史。

2006年，威勒斯列夫和同事来到格陵兰岛，试着从带有被猎杀痕迹的动物骸骨上寻找古代猎人残留的DNA。在一个多月的时间里，威勒斯列夫潜入格陵兰岛的地下，穿上全套防护服，以免污染样本。然而，当他们回到哥本哈根大学并对骸骨进行研究时，却失望地发现其中没有人类的DNA。幸运的是，威勒斯列夫却从另一个意想不到的途径获得了古人类的基因。早在1980年代，科学家已经在格陵兰岛找到了一束4000多年前的毛发。它被完好储存起来，却忘在了地下室。威勒斯列夫随即找到了毛发，从那束毛发中提取了人类DNA，并以强大的新技术重建了古格陵兰人的基因组。这是科学家首次复原出完整的古人类基因组。

通过这束毛发的DNA，威勒斯列夫可以推断出许多信息。比如，这簇头发来自萨卡克文明（古爱斯基摩文明的一种），它的所有者极有可能是一个健壮的男性，拥有黑色的皮肤与褐色的双眼。其中，最有趣的是这束毛发属于一个古爱斯基摩人，而且他并非格陵兰岛现在的居民——因纽特人的直系祖先。分析完此人的基因组之后，威勒斯列夫认为，古爱斯基摩人在大约5000多年前从西伯利亚离开，来到加拿大和格陵兰岛，并在那里生活了几个世纪后灭绝了。古爱斯基摩人并非如今因纽特人的祖先，他们只是被因纽特人取代了。

格陵兰岛古人类基因组给了威勒斯列夫一些新的启发。他原本认为，世界上的主要人种分布在世界不同的地区并且有十分独立的遗传历史。然而，现在他发现，这种想法也许过于简单化，早期人类的迁移历史还有许多秘密需要揭开。

测序“玛尔塔小孩”

和“蒙大拿婴儿”

在首次成功复原出古人类基因组之后，威勒斯列夫继续发表了一系列研究，从很大程度上改变了我们对人类历史的认识。人类起源于20万年前的非洲，然后一批批迁移到世界的各个角落。格陵兰岛的毛发就证明，古人类曾经从西伯利亚来到了北美，然后又穿越北美大陆来到了格陵兰岛。为了进一步理解美洲移民的历史，威勒斯列夫研究了一具埋在西伯利亚东部的古人类骸骨。

这块骸骨样本来自西伯利亚一个名叫玛尔塔的小村庄，被称作“玛尔塔小孩”。威勒斯列夫从这具遗骸中获得了高质量的DNA样本，他测出了小孩的DNA序列。分析结果表明，这个孩子生活在距今2.4万年之前，是个男孩，死时只有4岁。最令他吃惊的是，玛尔塔小孩染色体上的DNA序列更加符合欧洲人的特点，却完全没有找到任何东亚人特有的遗传标记。换句话说，他来自欧洲，同时并不是现代东亚人的祖先。而且，更奇怪的是，玛尔塔小孩的基因组序列和美洲人非常相似，带有大量只有美洲原住民才有的遗传特征。这个结果让威勒斯列夫大吃一惊，因为它和现有的人类学理论完全不同。

随后，威勒斯列夫来到加拿大的蒙大拿州，开始着手测序一个12600岁的婴儿的DNA。这个婴儿名叫Anzick-1，在蒙大拿的一个农场中被发现，是北美大陆有史以来发现的最古老的人类的遗骸，男婴死时约12到18个月大，他与100多件古物同葬，包括鱼叉及鹿角制的工具等，这些古物显示出，男婴遗骸属于北美洲的克洛维斯文化时期。

几十年来，考古学家曾假设北美洲的第一批原住民是克洛维斯人，他们在约1.3万年前于北美洲中西部和西南部留下了大量带有特色的古物。威勒斯列夫的DNA测序结果也证实了这一点，Anzick-1的基因与所有现代土著居民的基因组都显示出密切的亲戚关系，而且Anzick-1显示出自己是属于亚洲人的后裔，而非欧洲人后裔。威勒斯列夫推断，这证明克洛维斯人至少是当今80%甚至100%的本土印第安人的祖先，而且他们的祖先来自亚洲。

新的理论和新的问题

结合了“玛尔塔小孩”和“蒙大拿婴儿”的基因组，威勒斯列夫提出一种新的理论，试图解决北美洲长期以来存在的关于土著居民血统的争论。

此前已有的考古学证据表明，美洲原住民的祖先很可能是在1.5万年以前跨过白令海峡到达美洲大陆的。当时地球正处于冰期，海平面下降导致白令海峡出现了一个陆桥，为迁徙的古人类提供了一条临时通道。此后地球回暖，海平面上升，路桥被淹没，亚洲和美洲又被分开了，直到哥伦布发现美洲大陆才又重新联系上。但是，美国的一些考古学证据与这个理论不相符，比如，美国华盛顿州曾经挖掘出具有欧洲人特征的古人类头盖骨。于是，考古学界又有一个新的理论，认为美洲原住民是欧洲和东亚人混血的结果，但该理论认为欧洲人是跨过大西洋，从东边进入美洲大陆的。

威勒斯列夫的研究结果改进了这个新理论。“玛尔塔小孩”所属的族群虽然来自欧洲，但却为美洲原住民贡献了基因组，同时，大多数印第安人的基因组源自亚洲，但和许多东亚的古老族群又不完全一样。威勒斯列夫认为最可能的解释就是，这个玛尔塔小孩所属的族群最初从欧洲迁徙到西伯利亚，他们在这里遇到了另一支东亚族群，两者发生通婚，大量基因交流融合在一起。随后，这支新的人类族群在1.5万年之前跨过了白令海峡，他们才是美洲原住民的真正祖先。

然而，这里还是有一个问题没有解开——克洛维斯人是最早的美洲土著居民么？威勒斯列夫对佩斯利洞穴粪便化石的分析结果表明，化石中包含着北美大陆最古老的人类基因，距今已有14300年，其年代比克洛维斯人还早1000年。克勒斯列夫认为，克洛维斯人和佩斯利山洞的居民可能都源于第一批从亚洲迁徙来的移民，但他们在何时与何地为何变成了两个不同的族群，目前还是谜题。不过，威勒斯列夫对此并不担心，他表示，我们已经有了探寻历史和真相的新方法——测序远古DNA，这将为我们解答更多的古人类谜题。

本文源自大科技*百科新说2016年第9期杂志文章、欢迎广大读者关注我们大科技的微信号：hdkj1997