全基因組分析方法創新，人類百萬年前的群體秘密被發現！

　　9月1日，《科學》（Science）在線發表了中國科學院上海營養與健康研究所李海鵬研究組與華東師范大學腦功能基因組學研究所潘逸萱研究組合作撰寫的題為Genomic inference of a severe human bottleneck during the Early to Middle Pleistocene transition的最新研究成果。該研究創建了快速極小時間溯祖（FitCoal）新理論，并發現了人類在早、中更新世過渡期由于氣候環境的急劇變化經歷了嚴重的群體瓶頸，人類祖先近乎滅絕。

　　史前人口數量的變化，綜合反映了該時期氣候環境的變遷，因而通過群體遺傳學的研究方法進行回溯，可以更深入地了解現代人類的形成。已有化石記錄表明，最近100萬年是人類進化的關鍵時期，但人類群體歷史的研究多局限于最近的30~10萬年內。雖然近年來古DNA測序技術迅猛發展，但由于炎熱條件不利于DNA的保存，無法從30萬年前非洲人類祖先化石中提取古DNA。因此，該研究通過群體遺傳學新理論分析現代人群基因組，探索百萬年前的群體歷史。

　　史前雖然沒有文字記載群體數量，但有效群體大小會影響每個世代的溯祖率，也就是兩個譜系在上一世代來自同一祖先的概率。因此，人類祖先曾在群體基因組中留下印記，反映當時的群體大小。群體歷史越久遠，留存至今的印記信號越微弱。為準確解讀這些信號，進而準確估算百萬年前人類群體歷史，科研人員創建了群體遺傳學和計算生物學新理論，快速極小時間溯祖FitCoal。遵循這一理論進行數學推導，該工作獲得在任意群體模型下各突變類型（即突變頻譜）對應溯祖樹枝長期望值的解析解，并獲得精確的似然值，即在群體歷史條件下觀察到樣本突變頻譜的概率。因此，無需事先獲得群體歷史的先驗知識，FitCoal即可自動快速搜尋出極大似然值，從而估算群體歷史，對古人類群體進行“人口普查”。

　　研究人員通過設定群體歷史模型（true model）并分析模擬產生的DNA多態數據，衡量估計群體歷史的無偏性和95%置信區間，即可評判一個分析方法的準確程度。圖1顯示了兩個群體歷史模型的分析結果，可以看出FitCoal估計的群體歷史不但是無偏的，而且其置信區間小于目前領域內常用的PSMC、Stairway Plot和SMC++三種方法。研究進一步通過大量的計算機模擬，分析不同條件下的群體歷史，包括群體交融和自然選擇。結果均表明FitCoal可以精準地估計百萬年內的人類群體歷史。

　　基于FitCoal，研究進一步分析了來自千人基因組計劃和HGDP-CEPH基因組計劃產生的、共50個現代人類群體的基因組數據，首次發現了在距今93.0萬年前，人類祖先由于早、中更新世過渡期的氣候劇烈變化，在短期內喪失了約98.7%的成員個體，幾乎滅絕。在長達11.7萬年的時間里平均成年個體數僅為1,280，并從千人基因組和HGDP-CEPH兩組獨立數據獲得這一群體大小的估值幾乎完全一致，分別為1,270和1,300。考慮到群體數量的自然波動，這一平均估值代表了遠古群體瓶頸期間最小群體數量的上限。研究采用HGDP-CEPH數據集的兩個南部非洲群體作了進一步驗證。雖然樣本量僅為6個和8個個體，但FitCoal依然檢測到遠古群體瓶頸。對非洲群體樣本重抽樣的研究成果表明，僅需3個非洲個體的基因組，FitCoal即可檢測到這一遠古群體瓶頸，進一步表明計算生物學創新成就了這一發現。

　　這一嚴重的遠古群體瓶頸，恰好與非洲人類祖先化石的缺失環節、非洲直立人（Homo erectus）化石的消失、新的古人類物種（LCA）的形成、兩條古人類2號染色體的融合階段相對應（圖2）。進一步，這說明早、中更新世過渡期嚴重的群體瓶頸對人類進化具有關鍵影響，可能決定了現代人類許多關鍵表型的形成。同時，這一遠古時期群體數量的衰減，降低了65.85%現代人群的遺傳多樣性，對人類生命和健康產生了深遠影響。

　　該研究由營養與健康所、華東師范大學主導，聯合意大利羅馬大學、意大利佛羅倫薩大學和美國德克薩斯大學等共同完成。研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、國家重點研發計劃、美國國立衛生研究院、山東省自然科學基金、中國博士后科學基金、營養與健康所、華東師范大學及濟南市市校融合發展戰略工程項目的支持。

圖1.FitCoal、PSMC、Stairway Plot和SMC++估計的群體歷史

　　圖2.人類祖先在早、中更新世過渡期經歷的嚴重群體瓶頸（圖片右側對應非洲古人類化石缺失環節和不同的化石分類、2號染色體的融合時間，其中LCA指現代人類、尼安德特人和丹尼索瓦人的共同祖先）