《科學(xué)》8篇論文齊發(fā)：中國科學(xué)家領(lǐng)銜破譯靈長類“生命天書”，探尋人類起源演化

身為靈長類動物中的一員，人類一直對靈長類的起源和演化之謎十分關(guān)注。因為這不僅有助于回答人類起源的問題，也有助于更深入了解人類獨特身體結(jié)構(gòu)特征的演變歷史。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，近年來我們已有能力從基因中尋找相關(guān)答案。

今天凌晨，國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表由浙江大學(xué)生命演化研究中心張國捷教授團隊聯(lián)合國內(nèi)外合作者共同撰寫的“靈長類基因組研究”專刊。作為靈長類基因組計劃階段性成果的重要組成部分，專刊中的8篇論文逐一回答了與靈長類演化相關(guān)的一系列重要問題。

雖然非人靈長類動物在生物學(xué)、演化學(xué)、藥理學(xué)等領(lǐng)域中扮演著重要角色，但目前僅有不到10%的非人靈長類動物的參考基因組被測序。測序進展的緩慢，不僅使相關(guān)研究受到限制，而且還限制了我們對于非人靈長類動物基因組演化、適應(yīng)性演化及分子生物學(xué)方面的深入探究。而今，這一情況得到了極大改觀。

中國科學(xué)家領(lǐng)銜的一項國際研究，通過加入27種靈長類動物高質(zhì)量基因組新數(shù)據(jù)，填補了過去研究中數(shù)據(jù)不足的缺陷，使研究者得以更全面深入地了解靈長類動物的演化歷程。

研究團隊通過重構(gòu)靈長類動物的核型演化歷程，揭示了人類8號染色體對應(yīng)類人猿下目祖先和靈長類祖先中兩條分離的染色體，同時運用比較基因?qū)W手段，揭示了靈長類動物在骨骼、體型、消化系統(tǒng)和大腦演化方面的變化機制。這些研究成果為我們更好地了解人類起源和靈長類演化提供了堅實基礎(chǔ)。

大滅絕事件前后

靈長類祖先出現(xiàn)

靈長類動物有超過500個物種，分屬于16科共79個屬種。其中，原猴類（原猴亞目）是比較原始的一類靈長類，它們分布在非洲、南亞和東亞，狐猴、懶猴和叢猴等屬于這一類；而簡鼻類（簡鼻亞目）是現(xiàn)代靈長類的主體，分布在歐亞非大陸的狹鼻類（含舊世界猴）和分布在美洲大陸的闊鼻類（即新世界猴）都屬于這個類群。人類屬于狹鼻類，與黑猩猩、紅毛猩猩、大猩猩等大猿的親緣關(guān)系較近。

▲靈長目演化樹，靈長類圖片由Stephen D. Nash繪制（張國捷課題組和吳東東課題組合作供圖）

近年來，浙江大學(xué)生命演化研究中心的張國捷教授團隊聯(lián)合中科院昆明動物所吳東東研究員團隊、西北大學(xué)齊曉光教授團隊、云南大學(xué)于黎研究員團隊等，并與國內(nèi)外多個研究中心組成聯(lián)盟，開展靈長類基因組比較研究。

迄今為止，研究聯(lián)盟共分析了14科38屬共50種靈長類動物的基因組數(shù)據(jù)，涵蓋了靈長類動物的各主要類群。通過多學(xué)科交叉技術(shù)手段和團隊合作，聯(lián)盟團隊研究了包括人類在內(nèi)的靈長類物種的起源和分化過程、靈長類社會行為和社會組織的起源，以及各種生理特征的演化和遺傳基礎(chǔ)等課題。

研究人員通過分析基因組數(shù)據(jù)和化石時間數(shù)據(jù)，推斷出所有靈長類的最近共同祖先出現(xiàn)在大約6829萬到6495萬年前。該時間大致位于白堊紀的界限附近，與距離6550萬年前的白堊紀末期大滅絕事件非常接近，那次事件造成了非鳥恐龍的滅絕。這意味著靈長類動物的演化可能受到了物種大滅絕事件的影響。

靈長類物種分化的過程往往伴隨著染色體的融合和斷裂。研究團隊通過引入更多染色體級別的原猴物種數(shù)據(jù)，修正了人類8號染色體起源的假說。

▲人類第8號染色體在靈長類的起源過程的不同假說的示意圖（張國捷課題組供圖）

舊的假說認為，人的8號染色體是一條完整繼承自靈長類祖先的染色體，它在新世界猴中發(fā)生了斷裂事件，形成兩條新的染色體。但此次研究發(fā)現(xiàn)，原猴中對應(yīng)人類的8號染色體實際也是處于斷裂而非合并的狀態(tài)。

因此，研究人員推測，真實情況可能與原來的假說正好相反，即人類8號染色體與靈長類祖先的兩條染色體同源，在狹鼻猴祖先的演化過程中這兩條染色體融合成了一條，形成了現(xiàn)在人類的8號染色體。

四個關(guān)鍵節(jié)點處

相對腦容量顯著增大

靈長類動物在漫長的演化歷程中逐漸適應(yīng)各種各樣的環(huán)境和食物，發(fā)展出獨特的大腦、骨骼、體型和消化系統(tǒng)。作為人類智力的源泉，腦的演化過程備受關(guān)注。

在漫長的演化過程中，靈長類的腦部容量、占身體的比例均逐步增加，且皮層折疊程度日趨復(fù)雜。在靈長類的漫長演化過程中，相對腦容量在四個關(guān)鍵節(jié)點處顯著增大。它們分別發(fā)生在類人猿下目的祖先、狹鼻類祖先、大猿祖先和人類身上。在猩猩等大猿物種出現(xiàn)之后，這種趨勢變得尤其明顯，并在人類中達到了頂峰。

此次研究發(fā)現(xiàn)，一些大腦相關(guān)的基因在靈長類的演化歷程中經(jīng)歷了正向選擇，即功能被特異性地強化了。若這些基因發(fā)生紊亂，往往會導(dǎo)致大腦疾病的產(chǎn)生。

比如，小頭畸形是一種嚴重的人類神經(jīng)系統(tǒng)缺陷，由于神經(jīng)細胞無法正常增殖而導(dǎo)致腦容量變小。在人類演化過程中，小頭畸形相關(guān)基因就曾受到過強烈的、特異性的正向選擇，這被認為可能在靈長類腦容量擴張中發(fā)揮了作用。

▲靈長類物種腦容量演化歷程以及此過程中基因組上的變化，大腦圖像是從密歇根州立大學(xué)的比較哺乳動物大腦收藏中獲取（張國捷課題組和吳東東課題組合作供圖）

研究人員還發(fā)現(xiàn)，在靈長類腦容量擴張的演化過程中，有許多受到正向選擇的基因發(fā)揮了重要作用，尤其在伴有皮層折疊和腦容量顯著增加的關(guān)鍵演化節(jié)點上，作用尤為突出。

與此同時，研究人員還在基因組的非編碼區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一些DNA序列，它們在哺乳動物中高度保守（輕易不能改變，否則個體就難以成活），卻在四個靈長類大腦演化的關(guān)鍵節(jié)點上發(fā)生了加速演化。這些區(qū)域?qū)儆诖竽X發(fā)育相關(guān)基因的調(diào)控區(qū)域，這說明靈長類動物在漫長的演化過程中會通過調(diào)節(jié)基因表達，不斷優(yōu)化大腦。

不完全譜系分流

改寫靈長類演化分子鐘

在遺傳學(xué)上，有一個很特別的演化現(xiàn)象，被稱為“不完全譜系分流”（ILS）。

我們都知道，相較于大猩猩，人與黑猩猩的親緣關(guān)系更近。但事實上，在人的基因組里卻有超過15%的基因組區(qū)域反而與大猩猩更相似。這就是由不完全譜系分流造成的。

在不完全譜系分流下，祖先的一部分基因多態(tài)性會被隨機分流到分化出的不同物種里，從而造成親緣關(guān)系較遠的物種之間在某些基因上也會存在相似性。不完全譜系分流在多個物種類群中都被觀察到過，不過它在多大程度上影響靈長類的物種分化，以及對哪些基因區(qū)域有影響，仍待揭秘。

張國捷團隊與丹麥奧胡斯大學(xué)米凱爾·舒爾普團隊合作，利用全基因組數(shù)據(jù)，對29種靈長類祖先節(jié)點的不完全譜系分流現(xiàn)象進行了分析。

研究發(fā)現(xiàn)，在這些祖先節(jié)點上，靈長類基因組中有5%-64%的區(qū)域發(fā)生了不完全譜系分流。這說明，不完全譜系分流對靈長類的物種分化過程產(chǎn)生了較大的影響。

有意思的是，有些基因組區(qū)域在多個物種分化事件中都經(jīng)歷了不完全譜系分流，這反應(yīng)出這些區(qū)域受到過特殊的選擇壓力。例如，與膚色、免疫相關(guān)的基因一直處于較高不完全譜系分流水平，說明這些基因在靈長類物種間有豐富的多樣性。相反，極度保守的、維持細胞最基本功能所必需的“看家基因”則較少經(jīng)歷不完全譜系分流，基本遵循著物種分化過程中在物種間形成的差異。

此外，研究人員還建立了推斷物種分化時間的新方法。以前，利用基因組序列計算物種分化時間的方法主要基于分子鐘的原理，利用化石證據(jù)將序列間的差異度轉(zhuǎn)化為序列分化時間，但這樣獲得的物種間遺傳分化的時間結(jié)果往往早于實際的物種分化時間，尤其是對群體較大、世代時間較長的物種。

在這項研究中，研究人員結(jié)合基因組上的不完全譜系分流特征，在沒有化石時間校正的情況下，重新估算靈長類物種遺傳分化時間，發(fā)現(xiàn)與已知的化石時間基本一致。這說明不完全譜系分流的分析方法可以不依賴化石證據(jù)，只用基因組數(shù)據(jù)和某些群體相關(guān)參數(shù)就能得到較為準確的物種分化時間。

黔金絲猴身世解密

雜交驅(qū)動基因交流

在中國，金絲猴是家喻戶曉的動物。在5種金絲猴中，除了最早命名為“金絲猴”的川金絲猴是渾身金色毛發(fā)外，滇金絲猴是黑背白腹、怒江金絲猴為純黑色，而黔金絲猴只有頭部與肩膀等處的毛發(fā)是金色的，身體其他部位卻覆蓋著深色的毛發(fā)，越南金絲猴也只有部分金毛。

云南大學(xué)于黎教授聯(lián)合多個課題組，通過比較基因組學(xué)分析，解開了黔金絲猴的身世之謎。研究發(fā)現(xiàn)，黔金絲猴是川金絲猴和滇/怒江金絲猴共同祖先雜交后形成的物種，在演化過程中與兩個祖先物種形成了生殖隔離，進而成為一個新的獨立物種。

該研究也在演化層面解釋了黔金絲猴特有毛色的來源：黔金絲猴的毛發(fā)顏色實際是川、滇/怒江金絲猴毛色的嵌合體，其毛發(fā)基因有些來源于川金絲猴，有些來源于滇/怒江金絲猴的共同祖先。

▲黔金絲猴雜交成種過程的示意圖（于黎課題組供圖）

德國著名生物學(xué)家恩斯特·邁爾于上世紀四十年代提出了基于生殖隔離的生物學(xué)物種概念，即一個物種的定義關(guān)鍵看這個種群是否能和其他種群交配并產(chǎn)生可育后代。這一論點被無數(shù)人奉為圭臬，并被寫入教科書，成為演化理論的重要概念。

但幾十年來，物種之間的雜交不斷見諸報端，剛分化不久的近緣種之間的生殖隔離往往沒有那么強，個體之間仍有幾率突破生殖隔離，產(chǎn)生可育后代，并導(dǎo)致物種間的基因交流，也就是所謂的跨物種基因流。再進一步，若雜交后代和祖先再反復(fù)回交，導(dǎo)致祖先物種的基因庫中有了雜交后代的部分基因，便產(chǎn)生了基因漸滲現(xiàn)象。

然而，通過物種之間雜交形成全新的物種，這一成種機制在動物界比較罕見，尤其在靈長類動物中，這還是首次報道。

除了金絲猴，本研究項目在另外兩個類群中也報道了類似的雜交成種現(xiàn)象。例如，食蟹猴類可能源自古老的雜交事件，由獅尾猴的祖先與斯里蘭卡獼猴的祖先雜交而來；而東非狒狒和黃狒狒之間復(fù)雜的遺傳背景和演化歷史，則與雄性狒狒離群活動而驅(qū)動的近緣物種間的基因交流有關(guān)。

這項發(fā)現(xiàn)表明，雜交是靈長類動物物種形成的重要驅(qū)動力之一。物種的系統(tǒng)演化并不完全是樹狀的，在局部可能因為跨物種的基因交流而呈現(xiàn)局部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

寒冷增進凝聚力

推進社會結(jié)構(gòu)演化

部分靈長類動物具有動物界中少有的重層社會，如社會可以分成家庭、家族、氏族等不同的組織層次，其中就包括人類社會。重層社會的演化形成也受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

疣猴類是舊世界猴的主要分支之一，包括金絲猴在內(nèi)的亞洲葉猴（疣猴亞科分布于亞洲的分支）是研究靈長類重層社會結(jié)構(gòu)演化的絕佳對象。西北大學(xué)齊曉光教授聯(lián)合多個課題組，對亞洲葉猴的基因組進行了研究，回答了一系列相關(guān)問題。

研究分析了亞洲葉猴全部七個屬的基因組，并根據(jù)4992個直系同源基因，結(jié)合最新的化石證據(jù)，構(gòu)建起了可靠的系統(tǒng)發(fā)育樹。這項研究推翻了亞洲葉猴的祖先從北方南下進入東亞的觀點，提出它們是經(jīng)喜馬拉雅山南麓到達東亞、東南亞地區(qū)的新觀點。研究團隊根據(jù)新的系統(tǒng)發(fā)育樹、擴散路線，并結(jié)合古氣候地理認為，寒冷氣候是推動亞洲葉猴類產(chǎn)生重層社會的重要因素。

此外，通過對亞洲葉猴基因組的比較分析及細胞生物學(xué)實驗的驗證，科研人員還發(fā)現(xiàn)，與能量代謝、神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)控相關(guān)的通路在奇鼻猴類中經(jīng)歷了快速演化。其中，催產(chǎn)素通路和多巴胺通路的作用和功能在重層社會的物種中進一步加強——眾所周知，這些通路與社會依戀具有正相關(guān)性。

這些結(jié)果表明，寒冷可能促進了奇鼻猴類的代謝與神經(jīng)系統(tǒng)的重塑，在加強親代撫育和后代存活率的同時，還增進了社群個體間的凝聚力，從而為亞洲葉猴更大、更穩(wěn)定的社會結(jié)構(gòu)提供了生理基礎(chǔ)。

▲從左至右：紅腿白臀葉猴、西黑冠長臂猿、菲氏葉猴、滇金絲猴、白頭葉猴。 （均歐陽冠來供圖）

重估物種滅絕風(fēng)險

瀕危物種未必遺傳單一

瀕危物種是否具有更低的遺傳多樣性？這是一個長期受關(guān)注的話題，因為它直接決定了遺傳多樣性能否作為衡量物種滅絕風(fēng)險的一項指標。由西班牙托馬斯·馬奎斯-博內(nèi)特教授領(lǐng)銜的合作團隊，對來自233種靈長類動物的809個個體基因組的重測序數(shù)據(jù)進行了分析。結(jié)果表明，基因組多樣性與世界自然保護聯(lián)盟劃定的滅絕風(fēng)險類別之間在整體上沒有直接關(guān)聯(lián)。

不過在較小的分類階元內(nèi)，例如在同一個科內(nèi)，未受威脅和受威脅物種在遺傳多樣性上存在差異。雖然并非所有的比較都達到了統(tǒng)計學(xué)意義上的顯著性（如懶猴科內(nèi)的未受脅和受脅物種之間的遺傳多樣性就沒有差異），但多個極度瀕危物種均含有更高比例的連續(xù)性純合片段，如白頭葉猴、東部大猩猩和蒙狐猴等。

該結(jié)果說明，這些極度瀕危物種的有效種群數(shù)量較小，存在近親繁殖加劇的風(fēng)險。而一些目前未被歸類為瀕危的物種也有很大一部分的基因組處于連續(xù)性純合片段狀態(tài)，例如阿氏夜猴和小耳大嬰猴。

總的來說，遺傳多樣性并不能完全表征物種的瀕危程度。前者取決于長期的種群動態(tài)歷史，而目前物種瀕危狀態(tài)的形成很大程度上是受到非遺傳因素的威脅，種群數(shù)量的短時間快速下降可能無法在基因組水平上得到體現(xiàn)。