北京大学生命科学学院研究员遇赫 用基因回答“我们”为何是“我们”

2022-10-15 02:39■文/徐
中国高新科技 2022年13期
关键词:基因组学家养遗传

■文/徐 飞

“我们”为何是“我们”?这可以作为哲学问题,更可以作为科学问题,由古代基因组学领域的科学家给出合理的解释。作为新兴学科,古代基因组学主要利用考古或古生物样本中获取的遗传信息,研究其遗传背景和种群历史。

北京大学生命科学学院研究员遇赫正致力于研究人和动物的古代基因组学细分领域,通过探究东亚地区人群遗传背景的历史变迁以及与欧亚大陆不同地区人群之间的遗传交流;家养动物的起源、扩散和这些与人类存在密切联系的动物所反映的人类群体历史,向我们说明这个复杂而深奥的问题。

厚积薄发

开展古代基因组学研究工作,不仅需要满腔热情和持之以恒的精神,还需要极高的个人素质和能力。为了实现自己的人生价值,做好研究工作,遇赫一直在进行学术素养准备,并有针对性地提升工作能力。

本科阶段在北京大学生命科学学院攻读生物科学学士时,遇赫就同时在北京大学历史学系统学习历史学知识,最终成功获得双学位。无疑,这些历史学方面的知识积累和思考准备,对其后续开展古代基因组学有极大帮助。

2018年,遇赫从北京大学生命科学学院顺利毕业,荣获动物学博士学位,其研究方向为中国家猫和野猫的种群基因组学,其毕业论文为《中国家猫与野猫演化历史及种群结构的基因组学研究》。2018–2021年间,遇赫先后于德国马克思·普朗克人类历史科学研究所、马克思·普朗克进化人类学研究所任博士后研究员,从事古代基因组学研究,主要研究方向为欧亚大陆地区狩猎-采集人群的遗传背景动态变化,及与人类共生的欧洲大鼠的群体遗传学研究。

生物信息学是开展古代基因组学研究必不可少的应用工具,而遇赫刻苦钻研并通晓Python 和R 语言编程,精通高通量测序数据分析,可以顺利开展种群基因组学和系统发生学分析。

古代与现代DNA 的提取,PCR 扩增及测序是遇赫熟练掌握的实用性实验技术之一。开展古代基因组学研究,还离不开在野外进行实地操作。遇赫不仅胆大,而且愿意充分发挥自己作为女性特有的心细特点,多次成功进行非损伤性采样,为其后续研究开展奠定了良好的基础。

遇赫的研究成果广受学术界人士关注,其研究成果发表在国际知名期刊,如Cell、Science Advances 等上。也因为研究产出的硕果累累,她屡屡受到褒奖。2021年,由北京大学校友捐赠的億方高级人才基金将 “2021年度億方学者”荣誉称号授予生命科学学院中被选出的5 名优秀科学家,遇赫位列其中。

鉴古知今

基于现有的群体遗传学、基因组学发展以及古代DNA 技术,遇赫选择研究人类以及与人类生活密切相关的家养或伴生动物的遗传历史,从而更好地理解人类群体历史和社会发展。

遇赫读博期间就将基因组学应用到中国家猫和野猫的种群历史上,首次系统分析了中国家猫和野猫的遗传背景,证明了中国家猫起源于近东地区,其与荒漠猫的基因交流反映了上世纪青藏高原人口的迅速扩张。这加深了人类对家猫的驯化和传播历史的理解,为进一步探究中国人驯养家猫的历史指明了方向,也为她迈向古DNA 领域探索奠定了基础。

之后,遇赫开展了一系列欧亚大陆不同地区狩猎-采集人群的古代基因组学研究。首先针对西伯利亚南部贝加尔湖狩猎-采集人群的研究,贝加尔湖位于西伯利亚南部,人类在这一地区生活的历史可追溯自旧石器晚期。遇赫与合作者共同获取并分析了19 个这一地区旧石器晚期至青铜时期早期的古代人类的基因组,详细阐释了这一地区人群的遗传历史。研究发现,在距今约1.4 万年前的旧石器晚期个体中检测到早期美洲原住民特有的遗传成分,显示了旧石器晚期西伯利亚人群与美洲原住民人群之间存在密切联系,且美洲原住民群体可能最早形成于西伯利亚而非一般认为的白令海峡一带。这也证明了针对旧石器西伯利亚人群的研究,对理解美洲原住民人群形成的时间、地点以及迁徙历史至关重要,为未来关于美洲人群历史的研究提供了重要的方向。青铜时期早期的西伯利亚人群与跨欧亚大陆不同地区的人群间都存在密切交流。这一交流不仅体现在人类遗传信息上,还反映在人类携带的病原体鼠疫杆菌,以及稳定同位素信号中。研究在遗传信息显示来自东北亚的个体中检测到与已知同时期北欧鼠疫杆菌菌株这一发现,不仅显示青铜时期人群及其携带的病原体都具有较高的流动性,还证明了这一病原体的感染可以不依赖于个体的基因交流。

另外,她还与合作者共同研究了意大利西西里岛Grotta dell’Uzzo 遗址细石器至青铜时期人群的遗传背景变化,发现当地人群在狩猎向农业转型时期存在混合的生产方式,增进了对地中海地区农业发展模式的理解。

这些研究不仅增进了科学界对早期现代人类遗传背景和交流历史的理解,为许多重要的考古学和遗传学问题提供了重要依据,还探索利用多学科交叉的研究手段,结合人类DNA、病原体DNA 和稳定同位素等多方面信息来解答遗传、考古以及人类学问题的研究模式,为未来的相关研究提供了很有价值的参考。

遇赫首次对黑鼠这一重要伴生动物进行了系统的古DNA 研究。通过与Dovetail 公司合作,遇赫及团队获得了一个从头组装到染色体水平的高质量黑鼠参考基因组,随后使用这一参考基因组,分析了公元1世纪至今,来自欧洲和北非的黑鼠个体的基因组信息,发现6—10世纪欧洲大陆上的黑鼠种群经历了明显的种群替换,与过去动物考古研究中发现这一时期黑鼠在考古遗迹中消失这一现象吻合,可能与西罗马帝国的崩溃、开始于6世纪的君士坦丁大瘟疫,或气候转冷等因素有关。

这项研究作为世界首次对黑鼠这一重要伴生动物的古代DNA 研究,不仅增进了人类对其群体历史的理解,更为通过研究伴生动物的遗传历史,理解人类社会的变化和历史事件提供了很好的范例。

继往开来

近十年来古代基因组学研究的飞速发展,为人类回答了一系列关于人类起源、人群流动、语言和文明的形成以及人类如何适应环境等长期受到关注的重大科学问题。但目前的古代DNA 研究绝大多数开展于欧洲和其邻近地区,对于包括中国在内的欧亚大陆东部地区关注不足。以人类为例,迄今为止发表的超过6000 个人类古代基因组中,仅有约400 个来自于中国,在时间和空间尺度上覆盖都十分有限,关于不同遗传成分的形成过程以及他们如何交流、扩散并影响现代中国以至于欧亚大陆不同地区的人群,还有很多问题亟待解决。

一般认为,家养动物的驯化是人类文明发展史中极为关键的一步,带来了人类生产和生活方式的重大转变,使得人类能够更充分地利用动物资源,促进了生产和技术的发展,因而一直是考古学、人类学研究中的热点问题。同时,由于家养动物的生活和迁徙高度依赖于人类活动,它们的遗传背景可以很好地反映人群的迁徙或者人类技术交流的情况。因此,对家养动物的古代DNA 研究对理解人类自身文明的发展和人群之间的交流十分重要。

动物的古代DNA 研究在过去几年中同样发展很快,然而大多局限于对动物本身遗传历史的解读,缺乏对其所反映的人类迁徙以及社会发展史的探索。遇赫在过去的研究中发现,与人类密切相关的家养动物和伴生动物,其遗传史同样与人类活动密不可分。结合人类、动物、病原体以及同位素等多维度的信息,可以更加系统全面地回答有关人类群体流动和社会发展的问题。中国作为世界最主要的农业和家养动物起源中心之一,为开展此类研究探索提供了极为理想的条件。

基于过去在古代人类和动物基因组学双方面的研究基础,以及开展多学科交叉研究的经验,在未来开展的科学研究中,遇赫计划以中国为重心,开展针对古代人类以及家养动物的基因组学研究,探索将动物与人类古DNA 研究相结合的创新性的研究模式,以理解现代人类遗传多样性的形成以及文明的发展。

具体而言,她希望在过去对于古代狩猎-采集人群的研究基础上,深入探究欧亚大陆东部地区的早期人类遗传历史,理解早期人群遗传差异的形成和交流,重构中国古代人群流动图景。同时,从中国农业文明中关键的家养动物入手,探究其遗传历史所反映的中国古代人群流动,以及驯化行为与社会文明发展的关系。

中国在地理上连接中亚、东北亚和东南亚地区,是人类迁徙扩散的必经之路,拥有悠久的人类文明史和多样的民族构成,值得国人为之骄傲和自豪,也值得国人沉下心来仔细研究探索。而以遇赫为代表的新一代科学界人士正兢兢业业,为此任劳任怨,不断拼搏奋斗。

众所周知,哲学中最为经典的人生三问是“我是谁?”“我从哪里来?”“我要到哪里去?”千百年来,为回答这个问题,东西方无数先贤哲人见仁见智,给出了精彩纷呈的回答,让人叹为观止。

随着基因学,尤其是古代基因组学的发展,为人们回答哲学层面的人生三问提供了新的视角。人类进步永无止境,而对这一哲学经典问题也在始终进行新思考,产生新的回答方式和回答内容,而以遇赫为代表的中国科学界“新星”们正在从科学的角度,进行思考和回复。

或许针对这个经典哲学人生三问,来自我们这个时代和我们这群人的精彩回答可以先从回答“我们”为何是“我们”开始。

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