基因讓你征服高原旱獺和古人類研究揭示遺傳進化秘密

　　寒冷的喜馬拉雅山脈是“雪的故鄉”，這里也是一種小小“雪豬”的家園。

　　這種名為喜馬拉雅旱獺的動物可以在海拔5000米的地區生存，是許多野生動物，如牦牛、藏羚羊和藏獒的“小”鄰居。

　　而在遙遠的大洋彼岸，稀缺的氧氣、寒冷的氣候和強烈的紫外線輻射使得安第斯山脈生命罕至。那么古人類是如何適應這種高地生活的呢？

一些安第斯高地的居民攜帶著幫助消化淀粉的基因，這可能與數千年的馬鈴薯種植有關。圖片來源：UTE GRABOWSKY

　　在這些高海拔區域，無論是喜馬拉雅旱獺還是人類，都會面臨極端寒冷、缺氧和其他資源匱乏的生存環境。那他（它）們又是如何克服困難，在惡劣環境下繁衍生存的呢？

　　現在，中美研究人員分別發布了首個喜馬拉雅旱獺完整基因組測序和古代安第斯人基因研究成果，這可能有助于人們一窺高地生活的場景。相關論文分別發表在iScience和《科學進展》上。

　　“我們的研究顯示古代安第斯人適應高海拔生活是一個非常獨特的過程，與同樣生活在高海拔環境的中國青藏高原人群并不相同。”其中一項研究的合作者、美國加利福尼亞大學默塞德分校考古學家Mark Aldenderfer告訴《中國科學報》。

　　同樣，喜馬拉雅旱獺也與其他高原地區哺乳動物不同，它們在冬季冬眠，且冬眠洞穴特別深。而這些動物在高原冬眠更是面臨嚴重的缺氧和寒冷壓力。

　　故事先從更早征服高原的喜瑪拉雅旱獺說起。

　　理想模型

　　“喜瑪拉雅旱獺是棲息地海拔最高的哺乳動物之一，長期暴露在寒冷、缺氧和強烈的紫外線輻射下，冬季也會冬眠6個多月。”該研究主要負責人、西安交大教授劉恩岐說。

　　而這些顯著的生物學特征使得劉恩岐和他的團隊，包括第一作者白亮（音譯），認為喜瑪拉雅旱獺是研究極端環境適應分子機制的理想動物模型。

　　喜馬拉雅旱獺廣泛分布在印度、尼泊爾和巴基斯坦喜馬拉雅地區以及青藏高原海拔1900至5000米處。這種動物具有幾個獨特的生物學特征，如冬眠、深洞挖掘、厚皮毛和增大的體積，這可能與其對惡劣環境選擇壓力的演化相關。

　　于是，研究人員對一只來自青海省西寧市的兩歲雄性喜馬拉雅旱獺的完整基因組草圖進行了測序和組裝。他們還重新測序了其他20種喜馬拉雅旱獺的基因，包括生活在高海拔和低海拔地區的個體，以及其他4種喜馬拉雅旱獺。

　　此外，該團隊還進行了RNA測序，對比了處于麻醉狀態和清醒狀態的喜馬拉雅旱獺的基因表達差異。

　　劉恩岐表示，研究提示了高海拔適應和冬眠背后的遺傳機制，這也是研究喜馬拉雅旱獺進化、高原疾病和寒冷適應的有價值資源。

　　基因告訴你答案

　　DNA數據顯示，喜馬拉雅旱獺在大約200萬年前與蒙古旱獺分道揚鑣。研究人員發現兩種基因（Slc25a14和ψAamp）在低、高海拔地區喜馬拉雅旱獺中存在不同選擇。這表明它們與高海拔種群在低氧條件下的生存有關。

　　他們還認為Slc25a14可能具有神經保護作用。而ψAamp的變化影響編碼基因Aamp的RNA的穩定性，這可能是一種防止在極低氧條件下心血管過度生長的保護策略。

　　RNA測序數據顯示，冬眠期間肝臟和大腦的基因表達發生變化，包括脂肪酸代謝途徑中的基因以及血液凝固和干細胞分化。

　　有趣的是，之前一項研究表明，由于冬眠動物的大腦暴露在接近冰點的溫度并且血流量減少，因此血栓的風險增加。而喜馬拉雅旱獺的腦干細胞可以更好地準備修復損傷，作為在極端環境壓力下生存所需的適應性。

　　遺傳變異同樣也讓古人類占領了高原。DNA研究表明，一些南美高地人的心肌發生了變化。

　　一直以來，人類基因組學研究并未涉及安第斯山脈的考古問題。大多數研究是針對安第斯山脈較為復雜的社會，如莫希人、蒂瓦納庫人、瓦里人和印加人的文化史進行的。但研究這些復雜社會的經濟、政治和生活方式并不需要基因證據。

　　“然而，包括我在內的一些考古學家一直對早期人類是如何最終進入安第斯山脈的十分感興趣，正是這個小群體開始進行古DNA和基因組研究。”Aldenderfer告訴《中國科學報》，“尋找遺址和遺骸造成了不小的麻煩，好在這里寒冷和干燥的條件幫了我們。”

　　于是，為了弄清古代安第斯人如何適應海拔2500米以上的生活，亞特蘭大市埃默里大學人口遺傳學家John Lindo團隊及Aldenderfer團隊，對6800年前至1800年前生活在秘魯安第斯山脈提提卡卡湖附近的7個人類個體的基因組進行了測序。

　　研究人員還將這些基因組與來自兩個現代人群的基因數據進行了比較——生活在高地的玻利維亞艾馬拉族人和生活在智利南部低地海岸的惠里契—佩溫切族人。

　　進化適應很獨特

　　該研究發現了一種叫做DST的基因選擇跡象，這種基因與心血管健康和心肌發育有關。

　　“這顯示，安第斯人對缺氧的遺傳適應與青藏高原居民不同。在安第斯山脈，人們選擇的是增強心肌，進而促進體內血液循環。但在西藏，這種選擇作用于不同的基因——EPAS1，它可以降低人體血液中的血紅蛋白水平，使身體非常有效地利用氧氣。”Aldenderfer說。

　　同時，研究人員還發現，與淀粉消化有關的基因中出現了一種更加強烈的自然選擇跡象。Lindo指出，因為含有大量淀粉的馬鈴薯是在安第斯山脈被人類馴化的，并且很快成為了主食，因此出現了這種適應性進化。

　　通過測量安第斯山脈高地人群和低地人群之間隨時間推移而逐漸積累起來的隨機基因差異的數量，該研究小組估計這些人群之間的基因分裂可能發生在8750年前，這個時間與考古學數據相符。

　　研究小組還在現代高地人的基因組中發現了一個與歐洲人接觸的具體跡象—— 一種對天花疫苗產生反應的免疫受體。Lindo計算出，在與歐洲人接觸后，土著高地人口減少了27%。

　　“歐洲人帶來的流行病殺死了許多安第斯人，一些幸存者對促進對天花等歐洲疾病的抗性的基因進行了選擇，這種選擇在安第斯山脈的現代人群中一直存在。”他說。

　　此外，劉恩岐也表示，他們計劃繼續提高喜馬拉雅旱獺基因組的質量。喜馬拉雅旱獺因對土撥鼠肝炎病毒高度敏感而聞名，并且是人類瘟疫的天然寄主和傳播者。“我們將闡明導致肝炎病毒和細菌感染的免疫系統特征。”他說。

　　Aldenderfer則希望找到更多安第斯高地早期遺址樣本。“安第斯山脈人口歷史的重建依賴于從很多地方采集的大量樣本——這有助于我們更好地對所發生的事情進行歷史重建。”他說。