線粒體和Y染色體在研究人類起源和遷徙歷史中的應用

周海燕+廖世玉

摘 要： 我們來自哪里？我們又將去往何方？這既是一個哲學問題又是一個科學問題，哲學問題沒有標準答案，但科學問題可以通過實驗和科學計算得到精確的結果。現有的研究表明，地理距離較近的群體一般也表現出遺傳上的相似性，這就像不同地區的人說不同的語言一樣，不同的發音傾向于在不同的地區使用和傳播，同一區域的群體則往往傾向于同一來源和群體內部的基因交流，從而帶上相同或相似的遺傳標記，我們將這些遺傳標記叫做單倍型。研究這些單倍群的來源和分布情況可以很好的反映人類起源和史前遷徙的歷史，線粒體DNA和Y染色體DNA就是這些單倍型的載體，能在人類繁衍過程中代代相傳。

關鍵詞： 線粒體DNA；Y染色體；單倍型；起源；遷徙

自從誕生之初起，人類從未停止過對自身起源的探索，無論是東方的女媧造人還是西方的亞當夏娃，每一種傳說都蘊含著人類無盡的想象力和美好的愿景。然而傳說畢竟是傳說，科學才是認識世界的有力武器。現有的研究表明，地理距離較近的群體一般也表現出遺傳上的相似性，這是由于同一區域的群體往往傾向于同一來源和群體內部的基因交流[1]，在進化的過程中，不同的群體之間由于不斷累積隨機突變，發生遺傳漂變、自然選擇過程，使群體之間存在遺傳多態性，這也是當今世界三大人種形成的原因。對現代人群的起源和遷徙的研究可以回答人類來源和現有分布格局產生是如何產生的科學問題。

非洲被稱為人類起源的搖籃，解剖學上的現代人（Homo sapiens）于10-20萬年前出現在東非，在約12.5萬年前的第四紀最后一個間冰期到達非洲紅海海岸，并學會了利用海岸線上的食物和資源的技能。大約9萬年前，現代人沿紅海海岸進入阿拉伯半島，再沿印度洋海岸到達南亞和東南亞，隨后一部分人群向南遷徙到達東南亞大陸、太平洋島嶼和澳大利亞，另一部分則向北遷徙進入東亞和西伯利亞以及美洲大陸[2]。現代人的出現，取代了100萬年前同樣起源與非洲的直立人（Homo erectus），如尼安德特人和丹尼索瓦人，成為現代人的祖先，這就是著名的現代人單地區起源假說，又叫走出非洲假說（Out of Africa）。

然而，科學的進步需要不同思想的碰撞，1984年Milford H. Wolpoff、 Alan Thorne 和吳新志提出多地區起源假說（Multiregional hypothesis）。他們認為走出非洲假說并不能解釋為何在歐洲、中國以及印度尼西亞挖掘的人類化石在形態學上具有連續性，同時在時間和空間上也有連續性[4]，多地區起源假說將現代人的祖先追溯到分布在世界各地的直立人，在世界各地獨立進化，并不像走出非洲假說所提出的僅僅發生在非洲，同時由于不同地區群體之間一直不斷地進行頻繁的基因交流，導致現代人在遺傳上的差異不像表型差異那么大。兩種學說的主要分歧在于古人類到現代人進化過程中是否發生物種分化，所有的變化是否發生在同一個物種內。他們各自都有各自的證據，這種矛盾一時間變得不可調和。

基因組學的研究為解決這一矛盾提供了新的切入點。隨著分子生物學和遺傳學的發展以及人們對基因組認識的不斷加深，線粒體DNA（mtDNA）走上了研究人類群體歷史的舞臺，80年代初美國斯坦福大學和加州大學伯克利分校的研究者們將mtDNA應用到人類群體歷史的研究中[3]。1987年，Allan C.Willson首次通過分析來自五大洲人群的147份樣本的mtDNA，繪制了世界上第一個現代人mtDNA系統發育樹，表明全世界的現代人都是20萬年前生活在非洲的一位女性，即“線粒體夏娃”的后代。第一次從分子水平上證明了現代人的非洲起源假說。

除了線粒體DNA，Y染色體的研究也為追溯人類起源和遷徙提供有力的手段和證據。人類Y染色體DNA（Y-DNA）總長約60Mbp，大小是線粒體的三千多倍，蘊含更多群體信息。此外，Y染色體由兩端的擬常染色體區（Pseudoautosomal regions，PAR）和中間的雄性特異區（Male Specific Region of Y Chromosome，MSY）組成（圖1），雄性特異區不與其同源染色體發生重組，在父系遺傳中能夠很好的累積傳代過程中所產生的突變。同時，Y染色體理論上的有效群體大小（Effective Population Size）是常染色體的四分之一，對遺傳漂變（Genetic Drift）群體事件非常敏感，能提供豐富的群體歷史信息。

Y染色體單倍型分析是重建人類群體父系歷史的有效手段。Y染色體上的單倍型遺傳標記主要有兩種：一種是雙等位基因標記（Y-SNP），另一種是短串聯重復序列（Y-STR）。Y-SNP的突變速率很低（2X10-8個/代），同一位點發發生回復突變的可能性幾乎為零，所以Y染色體上的突變反應了人類漫長的父系遺傳歷史。Y-STR的突變速率比Y-SNP要快許多（約為6.9X10-4個/代），存在回復突變和重復突變，可以記錄較為近期的群體事件，被用來估計人群的起源和分歧時間。因此，我們將Y染色體上的Y-SNP和Y-STR遺傳標記結合起來，通過分析一定Y-SNP背景下的Y-STR分布結構來推測攜帶某一Y-SNP的群體的群體歷史，這種方法比單獨用Y-SNP或者Y-STR取得的結果更為準確。目前，這一分析方法已經在研究世界各大人群進化歷史中廣泛使用。

由于Y-SNP突變速率很低，并且不與其他染色體發生重組，一旦產生就會穩定的傳遞給后代，這些突變在Y染色體上按時間順序先后發生并在后代中完整的保留下來。以這一方式產生的多個Y-SNP在不同個體或群體間的差異構成了Y-DNA的單倍型（Haplotype），祖先單倍型與后代單倍型共享相同的單倍群（Haplogroup），根據不同單倍群中的SNP的發生時間順序關系可以構建單倍群譜系樹，即Y染色體系統發育樹。

在群體遷徙過程中，先產生的突變完整的保留在所以的子代中，后產生的突變也反映在不同的遷徙歷史中，呈現出一定的地理分布規律。如圖2所示，根部支系A和B只分布在廣袤的非洲大地，非洲以外地區則分布著C到Q支系，這些支系人群都帶有M-168、M294和P9.1突變位點，在CT支系中新產生的突變位點YAP定義的DE支系在非洲和亞洲都有分布[5]，突變位點M-130定義支系C主要分布在東亞、太平洋島嶼和北美；F-M89則在非洲以外地區廣泛分布；I和J支系是中東和歐洲人群的主要支系[6]；在東亞M-9定義的K支系具有最高的分布頻率。

根據不同支系在不同地區的分布頻率的差別，我們可以大致的推測出人類祖先在遙遠的史前時期的遷徙路線，再次將人類的祖先追溯到遙遠的非洲大草原，證明了走出非洲假說的正確性。

線粒體DNA和Y染色體DNA為研究人類祖先起源和史前遷徙提供有力的工具，為考古學研究提供間接證據，同時相較于考古學又有更高的精確度和分辨率，我相信，隨著古DNA技術的發展和新的分析工具的產生，人類對自身的認識將會更加透徹，真正的解決科學研究的終極目的：我是誰？我來自哪里？我將去往何方？■

參考文獻

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[2]Walter RC， Buffler RT， Bruggemann JH， Guillaume MM， Berhe SM， Negassi B， Libsekal Y， Cheng H， Edwards RL， von Cosel R， Neraudeau D， Gagnon M （2000） Early human occupation of the Red Sea coast of Eritrea during the last interglacial. Nature 405：65-69.

[3]Brown WM. 1980. Polymorphism in mitochondrial DNA of humans as revealed by restriction endonuclease analysis. Proc Natl Acad Sci U S A 77（6）：3605-3609.

[4]Brooks， A. S. & Wood， B. The Chinese side of the story.Nature 344， 288–289 （1990）.

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[6]Rootsi S， Magri C， Kivisild T， Benuzzi G， Help H， Bermisheva M， Kutuev I， Barac L， Pericic M， Balanovsky O et al. . 2004. Phylogeography of Y-chromosome haplogroup I reveals distinct domains of prehistoric gene flow in europe. Am J Hum Genet 75（1）：128-137.