破译尼安德特人的基因，凭什么能获诺贝尔奖

2022年的诺贝尔生理学或医学奖，因古人类研究而授予斯万特·帕博。很多人诧异，破译尼安德特人的基因，为什么会成为诺奖级别的突破？

复旦大学校长金力院士与帕博有过一些交往，他在接受澎湃新闻记者采访时说：“我认识很多顶尖科学家，像帕博这样执着的人，还真是不多见。每个人执着的程度不一样，多数人做事情的时候，碰到问题总免不了知难而退，但像帕博这样低着头，一直低着头，用一生去努力的，我觉得真的很难得。”

历年的诺贝尔生理学或医学奖，要么颁给与人体生理相关的重大发现、医学技术的重大突破，要么颁给能给未来科研/医学带来深远影响的工具突破。而2022年的诺贝尔生理学或医学奖，却授予了瑞典生物学家斯万特·帕博，颁发理由是“发现已灭绝人种的基因组和人类进化”。

人类基因组测序都没得诺奖，反而让研究尼安德特人基因的得了？

绝大多数人看到2022年诺贝尔生理学或医学奖的成果会有点蒙，如果解释说，他测序了尼安德特人的基因，很多人就会恍然大悟：“原来是这个啊！”“这研究真的是诺奖级别的吗？”“人类基因组测序都没有得诺奖，反而让研究尼安德特人基因的得了？”

那么，首先就来说说，与人类基因组测序相关的研究，真的没有得过诺奖吗？非也。

聚合酶链式反应技术（ PCR 技术），一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术，它可看作是生物体外的特殊DNA复制。PCR的最大特点是能将微量的DNA大幅增加。因此，无论是化石中的古生物、历史人物的残骸，还是几十年前凶杀案中凶手遗留的毛发、皮肤或血液，只要能分离出一丁点儿的DNA，就能用PCR加以放大，进行比对。这也是“微量证據”的威力所在。

PCR技术在临床上用于治疗感染性疾病、肿瘤及遗传病， 扩增的模板可以是DNA， 也可以是R N A。在医学检验学中最有价值的应用领域就是对感染性疾病的诊断。理论上，只要样本有1 个病原体存在，PCR就可以检测到， 一般实验室也能检出10～100个基因拷贝，而目前病原体抗原检测的方法一般需要105～107个病原体才可以检测到。PCR检测解决了免疫学检测的“窗口期”问题，可判断疾病是否处于隐性或亚临床状态。新冠病毒的核酸检测，使用的检测方法就是RT-PCR检测法，通过PCR扩增技术使标本中微量DNA、RNA物质达到可被检测的量。

1980年，美国生物化学家保罗·伯格因研究操纵基因重组DNA分子，与创立DNA结构的化学和生物分析法（即链终止法、双脱氧法）的美国分子生物学家沃尔特·吉尔伯特、英国生物化学家弗雷德里克·桑格共同获得诺贝尔化学奖（这是桑格第二次获得该奖）。1993年，美国生物化学家凯利·穆利斯因发明“聚合酶链式反应”（Polymerase Chain Reaction，简写为PCR）技术在遗传领域研究中取得突破性成就，与开创“寡聚核苷酸基定点诱变”技术的加拿大籍英裔科学家迈克尔· 史密斯共同获得诺贝尔化学奖，甚至PCR 技术的最初设想（核酸体外扩增）也是由诺贝尔奖得主、印度裔美国分子生物学家哈尔·葛宾·科拉纳（破解了遗传物质）最初提出的。作为DNA 测序和PCR扩增技术的开拓者，古遗传学先驱阿兰·查尔斯·威尔逊曾在1991年获得诺奖提名，却遗憾去世。虽然以上是诺贝尔化学奖，但都是对生命科学有着重大影响的技术工作。

人类基因组计划是一个伟大而浩瀚的计划，一方面有赖于前人开发的成熟的测序技术；另一方面，参与人类基因组计划的各个国家都有重要工作，世界上众多研究者都参与其中，而诺奖一次最多只授予3位科学家，这就很难从中选出一两位来代表集体的成果。但是，与人类基因组测序相关的成熟技术，大多数已经获得过诺贝尔生理学或医学奖、诺贝尔化学奖等奖项了。

与其说诺奖颁给了古人类学，不如说是颁给了基因组学

这一次的诺贝尔生理学或医学奖，与其说是颁发给了古人类学，不如说是颁发给了基因组学。当然，斯万特·帕博研究的领域——古遗传学，是这两个学科的交叉学科。

我们不难发现，如果人类基因组计划是从“二维平面”的角度来研究DNA，它能告诉我们DNA 是什么样的，什么样的疾病是由什么样的基因决定的，但它并不能从时间（进化）的角度，确定人类的DNA 及其与相关疾病的动态关系。但如果研究古基因，就加上了一个时间的维度，可以把DNA研究变成“三维”的，这样我们就能弄清楚DNA 的发现脉络，以及与其相关疾病的发展渊源。

最早开始做相关工作的古遗传学先驱，正是因为去世而没能获得诺奖的阿兰·查尔斯·威尔逊。作为分子生物学领域的科学家，威尔逊率先把DNA 测序和PCR 扩增技术用在了生物进化上（主要对比类人猿和人类的基因），对重建生物系统发育做了开拓性的工作。顺便吐槽一句，很多反对进化论的人，总是声称没有现代科学能支持进化论，但实际上，整个遗传学、分子生物学都对进化论形成了支撑，甚至整个系统分类学就是完全建立在这种支撑基础上的。

不过，威尔逊的工作主要还是依赖测序研究当今物种和人类的关系，并没有从时间线上去“观察”人类的进化，而是相当于通过投影（对比其他物种身上与人类相同的基因），去反推生物进化的时间线。威尔逊也由此提出了“分子进化钟”的概念。虽然分子钟让人类对进化分支的时间点判断有了划时代的进步，但是从今天的角度来说，分子钟其实是存在不小误差的。例如，实际测得的古类人猿和人类的基因差距，是小于分子钟的估算结果的。当然，在威尔逊提出“分子钟”的年代，人们也很难直接分析古生物的基因。

古遗传学的奠基工作，还缺少一块无比重要的基石——直接获取并分析古生物的遗传信息（古基因组学）。而斯万特·帕博正好是这块重要基石的奠基人。帕博的父亲苏恩·伯格斯特龙因对前列腺素的研究，在1982年获得诺贝尔生理学或医学奖，父子获奖的时间跨度正好是40年。帕博的母亲凯琳·佩博同样是一位化学家。跟随母亲生活的帕博，虽然从小受到科学熏陶，立志要当科学家，但他最痴迷的既不是生物也不是化学，反而是古埃及学。但谁也无法想到，正是因为对古埃及学的痴迷，让他在未来打开了古基因组学的大门。

最初就是很好奇：建造金字塔的那些人后来去哪儿了？

虽然帕博在博士期间的功课是研究“腺病毒的E1 9蛋白如何调节免疫系统”，但分子生物学领域的他，却偷偷研究起了古埃及的木乃伊。为了研究木乃伊，帕博每到假期就跑到博德博物馆，在长期的研究中，甚至还学会了德语。

刚开始，帕博的研究目的也并非要开创一个学科。他的想法很单纯，就是很好奇：当初建造金字塔的那些人到哪里去了？现在的埃及人是不是古埃及人和法老的后代？

要回答这个问题，最直接的方式就是分析法老们的DNA，然后和现代人的进行对比。然而，当时并没有人能成功从古生物中提取DNA，或者说提取工作受到极大客观因素的影响。古遗传学先驱威尔逊等人的很多研究工作，正是因此而受到了限制。

1984年，威尔逊实验室的一名研究生从灭绝100多年的斑驴皮肤中提取出了DNA，通过对线粒体基因的研究，发现斑驴是斑马的近亲，和野驴的关系反而比较远。这个开创性的研究登上了当年的《自然》杂志。但这其实同样是采取“传统”方法，分析年代较近的灭绝动物，对年代过于久远的动物依旧无能为力。

其实，在威尔逊团队发表这篇论文之前，帕博就已经做出了自己未来事业的奠基性成果——通过化学方法提取到了木乃伊的DN A 片段。他用德语发表了相关论文，但未引起关注。幸运的是，1984年11 月，帕博正好看到了威尔逊团队发表的关于斑驴的论文。激动的他产生了一个破天荒的想法，把自己的论文改写成英文，投给《自然》杂志。结果，他的论文不仅通过了，还受到了威尔逊的密切关注。当时，威尔逊已经是著名生物学家，在伯克利（即美国加利福尼亚大学伯克利分校）有着自己的实验室。他本以为帕博是一位教授，所以写信邀请他到自己的实验室来工作，当发现帕博仅仅是一位在读博士生时，便邀请他到自己的实验室做博士后。

1986年，帕博取得博士学位后，第一时间便去美国参加了一项重要的学术研讨会，在这里，他不仅见到了自己的博士后导师威尔逊，也见到了诺奖得主、PCR技术的发明者穆利斯。这次会议的核心就是讨论DNA 测序技术，帕博受益良多。博士后期间，他逐渐完善了从头骨中提取DNA 的技术。

随着深入研究，帕博意识到，自己的工作其实充满巨大的挑战。因为随着时间的推移，DNA 会发生化学修饰，降解成短片段，仅仅几千年的时间，便只剩下微量的DNA；此外，古生物腐败的过程中，还会滋生大量细菌，它们的基因会污染古生物的基因；研究者进行采样、提取等一系列工作的过程中，自身的DNA 也可能成为重要的污染源。

为了解决这些问题，在威尔逊研究室期间，帕博做了大量古生物的测序工作。他独立以及与威尔逊等共同发表的一些和测序相关的重要论文，促使古DNA 测序逐渐有了可能。

1990年，随着小说《侏罗纪公园》的出版，全球范围内掀起了古遗传学研究的热潮。当时有不少研究者发表了有关恐龙基因提取的论文，但后来发现，这些论文中所谓的恐龙基因，都是被细菌或者人类基因污染过的。也正是在1990年，帕博回到德国，成为慕尼黑大学的教授，专门从事古NDA的研究工作。

相比正常人的DNA序列尼安德特人的基因像被撕碎的纸片

在慕尼黑大学，帕博一开始就选择了一个极具挑战性的工作：测序尼安德特人的基因。

DNA经历早期的快速降解后，遗留的DNA碎片还会以521年左右的半衰期不断衰变。超过100万年的DNA，将很难提取出有用的信息，这也是为什么哪怕以今天的技术，人们也很难分析恐龙的DNA。帕博的研究工作，难度空前。

一直到1996年，帕博团队才通过比较精细的方法，提取到了40万年前的尼安德特人线粒体基因中的379个核苷酸。最终发现，这个曾被认为是欧洲人祖先的人种，竟然和现代人的线粒体基因谱系完全不同。这个研究结果在当时引起了巨大的轰动，也给帕博带来了很大的声望。论文发表后不久（1997 年），帕博进入德国著名的马克斯·普朗克多学科科学研究所（简称马普所），建立了进化人类学研究所，并担任所长。

随着人类全基因组测序的兴起，帕博开始了对尼安德特人全基因组的测序工作。

从慕尼黑大学到马普所的几年时间，帕博带领团队，逐渐建立起以PC R 检测为基础，探索不同的提取、拼接、恢复、修复DNA的技术，最终建立起了一套能筛选污染基因，并最终破译古DN A 碎片的关键技术和流程，成为古基因组学研究的标准范式。

为了尽可能避免DNA被污染，在马普所，帕博几乎建立了世界上最干净的生物实验室。该实验室分成内、外房间，内部房间被厚厚的玻璃门隔开，配备超强的空气过滤装置，可过滤小至0.2微米直径的颗粒，过滤度可达99.995%。正是因为检测技术的突破、标准流程的建立和实验室要求的严苛，才让帕博团队破译尼安德特人的全部基因有了可能。

相比正常人的完整DNA序列，尼安德特人的基因完全就像被撕碎的纸片。如果把人类的全组DN A 比作书，按照一页3000个字母计算，正常人的完整DNA序列如同一部200万页的巨著。尼安德特人的基因组，则相当于把1000本这样的巨著，撕碎成只有50个字母大小的碎片，然后与30多倍的废纸碎片混合。帕博团队的工作则需要从中找出这些有字的碎片，然后拼起来。

虽然人类基因组的确定（2001年）让这项可怕的工作变成了可能，但这依旧是一个工作量超乎想象的无底洞。哪怕在其他实验室的帮助下，也要利用十几个大容量的硬盘，才最终得以处理所有数据。为了避免出现偏差，帕博团队还同时采用了黑猩猩的DNA，才最终真正测出了尼安德特人的完整DN A 序列。

2009年，测出草图。2010年，发表相关论文，仅论文附件就达到174页。2014年，尼安德特人的完整DNA序列建立。为了保证DN A 序列的精准，每个序列的确定都至少测定了50次。研究尼安德特人期间（2010年），帕博团队还仅仅通过从牙齿和指骨化石（2008年在西伯利亚南部阿尔泰山脉的丹尼索瓦洞中被发现）中提取的DNA，便确定了一个全新的人种——丹尼索瓦人，随后成为《科学》2012年度十大科学突破之一。

这些仅仅是我们的祖先与其他古人类基因交流的冰山一角

这一系列的DNA破译最终证明，尼安德特人和丹尼索瓦人都和现代人发生了一定的基因交流。非洲以外的现代人类，依然保有1%～2%的尼安德特人的基因，且部分基因与现代人的糖尿病、心脏病、抑郁症等有关；亚洲、澳洲地区的现代人类，还有1%～6%的丹尼索瓦人的基因。

通过DNA 数据，还能进一步建立起人类的进化关系脉络——智人曾与尼安德特人（距今约3万年前灭绝）和丹尼索瓦人发生过基因交流。但其实，这些都仅仅是我们祖先与其他古人类基因交流的冰山一角。

帕博获得诺奖的真正原因，并不仅仅是破译了尼安德特人的基因，而是开拓了破译古DNA的技术，并建立了相关的标准和规范，让更多的古DNA 破译成为可能。在非洲还有大量的古人类DNA尚未破译，2010年之后，随着高通量测序的发展，现在已经能够测序古生物中极其微量的DNA。随着大量破译工作的积累，未來，不仅人类的起源会越来越清晰，甚至人类各个文明起源的确定，都有了更多可能性。

在未来，无论对人种还是物种的溯源，以及对疾病的溯源，古基因组学都将继续发挥它的重要价值。

当年，威尔逊因为去世而与诺贝尔奖失之交臂，作为学科的奠基人，帕博的贡献可谓青出于蓝而胜于蓝。人们很难猜到，2022年的诺奖会落在这个学科领域。帕博的获奖，与其说是冷门，不如说是年轻的古基因组学正在全球兴起，获得诺奖实至名归。

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