40萬年前的“分子密碼”

小結(jié)：直立人是第一種走出非洲的古人類，但受限于化石珍貴不可破壞，其遺傳特征始終是演化領(lǐng)域的空白。中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所付巧妹團隊創(chuàng)新酸蝕刻微損取樣技術(shù)，首次從40萬年前直立人牙齒中獲得具有譜系特異性的分子信息，揭示了中國境內(nèi)以周口店（北京人）、和縣和孫家洞為代表的直立人屬于同一演化人群，并發(fā)現(xiàn)其基因可能通過已知的丹尼索瓦人間接流入現(xiàn)代人群的關(guān)鍵證據(jù)，破解了“直立人與現(xiàn)代人是否具有關(guān)聯(lián)性”這一人類演化領(lǐng)域長期懸而未決的重大謎題。該研究重塑了中更新世東亞古人類群體互動網(wǎng)絡(luò)的認知，將古蛋白質(zhì)組學(xué)從輔助工具躍升為破解人類演化史的核心手段之一。

（圖片由偶魔數(shù)字制作）

直立人是人屬中第一個走出非洲并廣泛擴散至歐亞大陸及東南亞的關(guān)鍵人群，在人類演化進程中占據(jù)不可替代的地位。然而，與尼安德特人、丹尼索瓦人等其他古人類具有相對豐富的分子數(shù)據(jù)不同，直立人的古遺傳學(xué)研究長期處于近乎空白的狀態(tài)。東亞地區(qū)距今210萬年至30萬年的化石是重建東亞直立人演化歷史的核心材料，然而其久遠的年代和傳統(tǒng)破壞性取樣方式嚴重制約了對這些珍貴樣本的分子研究，使一系列人類演化的關(guān)鍵科學(xué)問題長期懸而未決。

圖1：中國中更新世直立人遺址的地理位置、本研究樣品信息

北京時間2026年5月13日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表了中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所付巧妹研究團隊聯(lián)合安徽省文物考古研究所、和縣文化旅游體育局、洛陽市考古研究院、欒川縣文廣旅局、河北地質(zhì)大學(xué)等多家單位合作完成的中國中更新世直立人的古蛋白組學(xué)研究成果。研究團隊通過創(chuàng)新的酸蝕刻微損取樣技術(shù)，在不破壞化石完整形態(tài)的前提下，首次成功從北京周口店、安徽和縣、河南孫家洞三個遺址距今約40萬年的6顆中更新世直立人牙齒化石中（圖1）獲取了具有系統(tǒng)發(fā)育信息的內(nèi)源性牙釉質(zhì)蛋白數(shù)據(jù)。這是全球范圍內(nèi)首次獲得具有直立人鑒定特征的分子信息，重塑了中更新世東亞古人類群體互動網(wǎng)絡(luò)。這一研究標志著古蛋白質(zhì)組學(xué)正式邁入可以獨立破解人類演化科學(xué)問題篇章。

一、從全球空缺到東亞突破：首獲直立人具系統(tǒng)發(fā)育信息的分子數(shù)據(jù)

全球直立人古遺傳學(xué)研究近乎空白的狀態(tài)在化石資源豐富的東亞區(qū)域尤為突顯。這一空白的形成，并非化石材料的匱乏，而在于一道長期無法逾越的根本性障礙：古老人類化石因其稀缺性，往往不易被批準用于傳統(tǒng)上對化石可能造成損傷的分子研究，尤其是需要大量釉質(zhì)用于實驗的牙釉質(zhì)的蛋白研究，對化石形態(tài)影響較大。如何減少形態(tài)的破壞，對于開展古老人類化石的分子研究非常關(guān)鍵。

為突破這一瓶頸，研究團隊摸索并創(chuàng)新提出了一套近乎“無損”的評估和取樣方案：首先，通過基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜（MALDI-TOF MS）對周口店、和縣、孫家洞遺址的動物化石進行檢測，以非破壞性方式預(yù)篩選同層位的古人類牙釉質(zhì)中古蛋白的保存情況，確認從相關(guān)地層古人類牙釉質(zhì)中提取古蛋白具有高度可行性。在此基礎(chǔ)上，團隊首次將酸蝕刻法微損取樣技術(shù)應(yīng)用于中更新世直立人化石：區(qū)別于直接消耗大塊牙釉質(zhì)或牙釉質(zhì)鉆粉的傳統(tǒng)做法，該技術(shù)僅將牙釉質(zhì)表面接觸微量酸液進行短時間酸蝕反應(yīng)，僅消耗小面積的表面牙釉質(zhì)，在基本不影響化石形態(tài)的前提下高效獲取內(nèi)源性蛋白。

正是這一關(guān)鍵突破，使周口店、和縣、孫家洞等東亞直立人化石得以首次開展分子層面的研究。

然而，近40萬年的歲月使得古蛋白組數(shù)據(jù)的獲取極具挑戰(zhàn)。即便是在相對穩(wěn)定的牙釉質(zhì)封閉環(huán)境中，蛋白質(zhì)也經(jīng)歷了深度降解、斷裂與化學(xué)修飾，內(nèi)源性信號極其微弱；研究團隊為此構(gòu)建了嚴密的質(zhì)控體系：6個從直立人牙釉質(zhì)獲得的蛋白質(zhì)樣本由兩套獨立實驗體系進行多次實驗，以保證實驗結(jié)果的可重復(fù)性；在數(shù)據(jù)解析環(huán)節(jié)，團隊運用PEAKS Online、MaxQuant和pFind（中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所開發(fā)）三種搜庫軟件對原始譜圖進行鑒定，并交叉比對——只有被三種軟件共同驗證的位點才被納入后續(xù)分析，以此大大降低單一算法偏倚和隨機匹配帶來的假陽性風險，保障了譜系分析結(jié)果的嚴謹性與可重復(fù)性；最終通過對比重要位點處的實測譜圖和理論預(yù)測譜圖來確定譜圖解析的準確性。

在上述嚴密的質(zhì)控體系下，研究得以成功從周口店（1顆，距今約42萬年）、和縣（2顆，距今約41萬年）和孫家洞（3顆，距今約40萬年）的6顆牙齒及作為對比的哈爾濱個體（1顆，距今至少14.6萬年）牙齒中，鑒定出6～11種內(nèi)源性釉質(zhì)相關(guān)蛋白，包含650～3457個肽段，所構(gòu)建的一致序列覆蓋了6個直立人個體及哈爾濱個體的269～903個氨基酸位點。這是全球首次從直立人化石中獲取具有特征性系統(tǒng)發(fā)育信息的內(nèi)源性牙釉質(zhì)蛋白數(shù)據(jù)，亦是東亞迄今最古老的古人類蛋白組，將東亞古人類蛋白組的時限從約16萬年前推至至少40萬年前。

此外，研究還開發(fā)了一種基于牙釉質(zhì)中釉原蛋白特異性肽段比例來推斷古人類性別的方法——即計算Y染色體特異性表達蛋白AMELY的特有肽段占AMELX和AMELY總特異性肽段的比例（RY），將RY值高于0.058判定為男性，低于0.024判定為女性?；谠摲椒?，周口店樣本、2個和縣樣本、2個孫家洞樣本及哈爾濱樣本的RY在0.187-0.295之間，被推斷為男性；剩余1個孫家洞樣本RY為0.019，被推斷為女性。該方法（protSexInferer）同步發(fā)表于Journal of Genetics and Genomics期刊，為缺乏性別相關(guān)形態(tài)特征或DNA保存不佳的牙齒化石提供了精準可靠的性別鑒定新方法和開源的新工具。

二、形態(tài)差異下的遺傳相似性：發(fā)現(xiàn)東亞直立人的獨特分子標記

東亞中更新世直立人化石在體質(zhì)形態(tài)上表現(xiàn)出區(qū)域差異。周口店直立人通常被視為典型的直立人或亞洲直立人的形態(tài)學(xué)參考標準，孫家洞人的形態(tài)特征與其較為接近；而和縣人則在顱骨和牙齒形態(tài)上更趨近印度尼西亞爪哇直立人，并與被認為屬于丹尼索瓦人的澎湖人下頜骨存在某些相似之處。這種形態(tài)上的異質(zhì)性引發(fā)了長期爭論：中國境內(nèi)的直立人究竟屬于同一個演化支系，還是代表了多個不同來源或相對隔離的群體？和縣人究竟是直立人支系內(nèi)部的地方變體，還是暗示著與丹尼索瓦人存在更近的親緣關(guān)系？

牙釉質(zhì)蛋白數(shù)據(jù)給出了決定性的答案。研究系統(tǒng)鑒定了9種內(nèi)源性蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)中可能含有的現(xiàn)代人、尼安德特人、丹尼索瓦人及黑猩猩、大猩猩和猩猩等靈長類動物特有的單氨基酸多態(tài)性位點，并結(jié)合嚴格的譜圖查驗（每一個候選位點均需兩張以上在該位點處至少包含3個y/b離子的高質(zhì)量譜圖驗證），發(fā)現(xiàn)了一個具有決定性意義的全新突變——單氨基酸多態(tài)性位點成釉蛋白(AMBN) A253G。該突變在所有6個直立人樣本中均被鑒定出來，且在已發(fā)表的任何其他古人類（包括德馬尼西直立人、阿塔普埃爾卡先驅(qū)人、所有尼安德特人、所有已知丹尼索瓦人）、現(xiàn)代人類及其他現(xiàn)生或化石靈長類動物中均未發(fā)現(xiàn)。

在系統(tǒng)發(fā)育分析層面，研究構(gòu)建了包括6個東亞直立人和1個哈爾濱個體在內(nèi)的內(nèi)源性蛋白質(zhì)對比數(shù)據(jù)集，結(jié)果顯示哈爾濱個體與丹尼索瓦3號個體以98%～100%的高支持率構(gòu)成單系群，而6個東亞直立人則明確聚為一支?（100% 支持率），與丹尼索瓦人、尼安德特人和現(xiàn)代人清晰分離，這意味著，盡管周口店、和縣、孫家洞的直立人在形態(tài)上有些差異，但他們在遺傳上高度相似，同屬于一個區(qū)別于尼安德特人、已知丹尼索瓦人及現(xiàn)代人的東亞中更新世直立人演化人群。

這一發(fā)現(xiàn)首次以直接的分子證據(jù)證實了中國境內(nèi)上述三個遺址的直立人同屬一個獨立的演化人群，解決了長期以來關(guān)于東亞直立人內(nèi)部分類的相關(guān)爭議，填補了直立人遺傳特征的認知空白。

三、直立人與現(xiàn)代人的遺傳關(guān)聯(lián)：發(fā)現(xiàn)來自東亞直立人的古老變異

在所有6個東亞中更新世直立人樣本中，研究團隊還鑒定出另一個共同關(guān)鍵突變——AMBN M273V。該突變此前已在丹尼索瓦人群體和菲律賓人群等少數(shù)受丹尼索瓦人遺傳滲透影響較大的現(xiàn)代人群體中被發(fā)現(xiàn)，此前普遍認為該位點可能是丹尼索瓦人特有的變異位點。

新數(shù)據(jù)顯示，年代較古老的丹尼索瓦人（如距今至少14.6萬年的哈爾濱個體（本研究））、距今約20萬年的丹尼索瓦25號個體（bioRxiv）在該位點呈現(xiàn)雜合狀態(tài)，而在本研究六個直立人樣本均是純合狀態(tài)，反映出該位點不是丹尼索瓦人特有的。

研究團隊從古蛋白組數(shù)據(jù)中鎖定的真實氨基酸突變位點（AMBN M273V）出發(fā)，反向追蹤其對應(yīng)的編碼DNA區(qū)域并展開精細的分析，即在多種窗口尺寸下反復(fù)測試以壓制噪音并保持檢測靈敏度，同時密切監(jiān)測分化信號是否超出現(xiàn)代人與尼安德特人之間的預(yù)期差異區(qū)間。在此嚴格策略下，分析結(jié)果顯示包含rs564905233的DNA區(qū)域（對應(yīng)蛋白質(zhì)的AMBN 273位點）在丹尼索瓦人與非洲現(xiàn)代人之間的序列差異顯著大于尼安德特人與非洲現(xiàn)代人之間的差異，而其他臨近區(qū)域相關(guān)差異并不顯著。這個區(qū)域可能與古老群體有關(guān)。

結(jié)合AMBN M273V并不是所有丹尼索瓦人特有的，在所有三個遺址6個牙齒都有，以及在部分現(xiàn)代人中有（菲律賓人達21%，東亞人等少于1%），研究首次揭示丹尼索瓦人基因組滲入到現(xiàn)代人的部分基因，可以被追溯至與周口店、和縣、孫家洞中更新世相關(guān)人群。這意味著，在中更新世晚期的東亞，直立人與已知的丹尼索瓦人可能在相同或鄰近的區(qū)域共存，為兩個人群間的基因交流創(chuàng)造了機會，使得源自直立人的古老基因得以流入已知的丹尼索瓦人基因組后，又通過丹尼索瓦人的基因滲入事件，傳遞到東亞、東南亞和大洋洲等現(xiàn)代人中，最終對現(xiàn)代人群產(chǎn)生了深遠的遺傳影響?（圖2）。該研究（圖2），共同勾勒出一幅未知的人類演化圖景：40萬年前的以周口店為代表的東亞直立人不僅是一個獨特的演化群體，更是現(xiàn)代人類基因庫中古老基因的源頭之一。

圖2：氨基酸突變位點AMBN-M273V反映的可能基因流模型

綜上所述，該研究首次將直立人從形態(tài)學(xué)認知實體轉(zhuǎn)化為具有明確遺傳貢獻的演化實體；在分子層面發(fā)現(xiàn)了周口店、和縣和孫家洞相關(guān)東亞直立人與丹尼索瓦人及當今部分現(xiàn)代人人群的深層遺傳聯(lián)系，為理解古人類演化的復(fù)雜性及人屬內(nèi)部的基因交流網(wǎng)絡(luò)提供了重要證據(jù)。

在方法層面，這項研究意義同樣深遠：酸蝕刻法微損取樣技術(shù)突破了珍貴化石不可再生的技術(shù)壁壘，使塵封于形態(tài)學(xué)描述中的大量古老人類化石開展古蛋白組學(xué)研究成為可能。正是以此為前提，雙質(zhì)譜測序與多重數(shù)據(jù)分析交叉驗證方法建立了一套可復(fù)制的質(zhì)控體系，為古蛋白組數(shù)據(jù)的真實性提供了多重保障；特定氨基酸變異的DNA關(guān)聯(lián)分析方法則首次使古蛋白組數(shù)據(jù)服務(wù)于基因滲入和群體歷史的精細推斷——不同于以往依賴古DNA的先驗數(shù)據(jù)，而以古蛋白為線索反向指引相關(guān)基因組分析。

這一系列從取樣到數(shù)據(jù)解析的創(chuàng)新方法體系，將古蛋白質(zhì)組學(xué)從側(cè)重譜系鑒定的工具躍升為能夠獨立推導(dǎo)并驗證演化假說的核心研究手段之一，為探索更古老的人類群體提供參考，標志著古蛋白質(zhì)組學(xué)成為破解人類演化歷史的關(guān)鍵證據(jù)。

來源：中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所官網(wǎng)

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