生理学或医学奖：研究古人的基因有什么用？

北京时间10月3日，2022年诺贝尔生理学或医学奖颁给了瑞典遗传学家斯万特·帕博（Svante Pääbo），以表彰他对尼安德特人（Neanderthal）等已灭绝人种的基因组所做的研究，以及他在人类进化领域做出的突出贡献。我曾经于2016年10月去德国莱比锡拜访了马克斯·普朗克学会下属的进化人类学研究所，对当时担任该所所长的帕博进行过两次专访，并在《三联生活周刊》上详细介绍了他的学术历程以及主要成果。

简单来说，帕博是一门新兴学科——古遗传学（Paleogenetics）的开创者。这门学科研究的是古代生物的遗传物质，即从化石或者其他可能的来源（比如古代土壤）中提取古代生物遗留下来的DNA，并对其进行测序。古遗传学诞生于上世纪80年代，但直到帕博进入这一领域，这门学科才真正开始起飞。

1996年，帕博及其同事们成功地从化石中提取到了一小段尼安德特人的线粒体DNA，并测出了其中一段含有379个核苷酸的DNA序列。这是人类第一次测出一个已灭绝古人类的部分基因组序列，具有划时代的意义。但真正让古遗传学变得家喻户晓的研究成果是尼安德特人全基因组测序的成功，这项研究是在帕博的指导下，由他实验室的博士研究生约翰尼斯·克劳斯（Johannes Krause）带头完成的，相关论文发表在2010年5月7日出版的《科学》（Science）杂志上。

要知道，现代智人全基因组测序是在2001年才刚刚完成的，不到10年之后帕博实验室就完成了对一个已灭绝人类近亲的全基因组测序，这个成就超出了所有人的预期。这项成果意义重大，从此科学家们就有了一个参照系，可以通过对比尼安德特人和现代人之间的基因组异同，解答很多令人感兴趣的问题。比如现代智人到底是从哪里来的、人类祖先的迁徙路线是怎样的、迁徙过程中有没有和其他人种发生过基因交流。最后这个问题也是由帕博实验室首先给出答案的，他们证明现代智人在走出非洲后曾经和尼安德特人有过基因交流，所以当今所有的非非洲裔现代人体内都含有1%～4%的尼安德特人基因。

之后，帕博实验室又通过对一颗牙齿化石进行的基因测序，发现了一个全新的人类亚种，取名丹尼索瓦人（Denisovan）。这是科学家们第一次仅仅通过DNA序列就命名一个人类近亲，帕博彻底改变了人类进化研究的传统范式。主持该研究项目的仍然是克劳斯，此后他顺理成章地接替了帕博的所长职位。但真正负责提取DNA并完成测序工作的是来自中国的博士研究生付巧妹，她目前在中国科学院古脊椎动物与古人类研究所任职，是该所古DNA实验室的主任。

这几项震惊世界的研究成果终于让古遗传学变成了一个热门学科，包括中国在内的很多国家都相继进入了这一领域。不过，在很多普通人眼里，古遗传学只是一门研究人类进化的冷门学科，只有对人类起源问题感兴趣的人才会去关注它。其实这个看法失之偏颇，因为古遗传学还有很多实际的用处，这门学科的发展至少在以下3个方面深刻地影响了我们每个人的日常生活。

新冠疫情让“核酸”这个词火遍全中国，因为测核酸是目前操作最简单、成本最低廉同时也是结果最可靠的筛查病毒感染者的方法。这个方法测的是受试者呼吸道内的核酸（DNA）序列，人类在这项技术上的进步速度是呈指数级增长的，部分原因就是为了满足像古遗传学这样的尖端领域的科研需求。

DNA测序技术的原理不难解释，但要真正实现它，难度是相当大的。这项技术是在大约50年前开始起步的，早年的测序都必须先把目标基因克隆进某种细菌载体（常用的是大肠杆菌）之中，然后让大肠杆菌在合适的条件下生长繁殖，并在这一过程中顺便将目标基因扩增到原来的很多倍，之后才能进行测序。这么做的主要原因就在于目标基因的数量往往相当稀少，如果不借助某种生物（比如大肠杆菌）的DNA复制机制将其扩增到一定的量，是无法对其进行包括测序在内的任何研究的。

诞生于1985年的聚合酶链式反应（PCR）技术解决了DNA扩增的难题。这项技术可以在不借助细菌的情况下将特定的DNA片段进行扩增，从而为下一步研究提供足够多的样本。目前的新冠核酸检测就用到了PCR技术，否则是不可能这么快就出结果的。

普通的新冠核酸检测不需要测序，只要用一个巧妙的替代方法证明目标基因和新冠基因序列是否相同就行了。但研究新冠病毒的科学家们肯定需要测序，而传统的测序方法需要先用放射性同位素对目标基因进行标记，然后让不同长度的基因片段通过电泳的方式分开，俗语称之为“跑胶”。每跑一次胶至少需要两天的时间，最多只能测几十个样本，而每个样本最多只能测几百个核苷酸序列，既费时又费力。所以当年的古遗传学研究几乎只能围绕着体积很小的线粒体来进行，对于数量庞大的染色体基因组来说是无能为力的。再加上古DNA往往破碎成了小片段，而且外源DNA污染严重，测序就更加困难了。

两位瑞典科学家于1996年发明了焦磷酸测序技术（Pyrosequencing），利用光化学原理把单个核苷酸信号变成光信号，然后通过一台高灵敏度的仪器检测这个光信号，就能测出DNA顺序，不用再扩增DNA，也不用再跑胶了。利用这一技术制造出来的DNA测序仪一次可以测上亿个核苷酸序列，古遗传学研究终于看到了曙光。帕博实验室在此基础上完善了古DNA文库技术，这项技术可以测量短至40个核苷酸的DNA小片段，然后再利用计算机将无数个小片段拼接成长的序列。为了降低错误率，帕博必须对每一段DNA序列都进行重复测序，重复次数甚至可以高达数十次，这才完成了对尼安德特人全基因组的测序工作。

这项工作的难度有多大呢？我们可以通过下面这个例子体会一下：如果把人类基因组序列印成一本书的话，按照每页3000个字母来计算，这将是一本200万页的巨著。假设我们手头有1000本这样的书，先把它们全部撕个粉碎，任何一片碎纸最多只含有50个字母，然后再混入10000本错误百出的盗版书的碎片，将这些碎片统统交给你，你能拼出完整的人类基因组序列吗？

现在你应该可以理解，为什么当初帕博提出要测尼安德特人全基因组序列时，全世界都在等着看他的笑话。而当他公布了测序结果之后，全世界都为之沸腾。

这项技术成熟之后被用在了很多其他领域，比如大家熟悉的抽血产前检查，以及最近刚刚开始进入临床的癌症血液筛查。这两种检查都基于一项事实，那就是胎儿和癌细胞都会向血液中释放自己的DNA，但这些DNA的含量都非常低，而且也都是碎片化的，常规DNA测序无能为力。科学家们借鉴了古DNA测序所使用的技术，终于可以将这些痕量DNA检测出来了。所以今天的孕妇只要抽一管血就能知道胎儿是否患有先天性遗传病，而血液验癌技术也已经进入了临床试验的最终阶段，未来很可能将会进入医保。到那时任何人只要定期去医院抽一管血，就可以知道自己有没有患癌症。如果不幸中招，就可以提早开始治疗，把癌细胞杀死在摇篮里。

怎么样，你还认为研究古人的基因没用吗？

前文提到，非非洲裔现代人体内平均有1%～4%的尼安德特人基因，但因为每个人继承下来的尼安德特人基因都不一样，加在一起的话至少可以拼出30%的尼安德特人基因。这些基因大都和皮肤、体毛、免疫系统和消化系统等直接和环境接触的部位有关，这是因为欧亚大陆的生态环境与病原体种类和非洲的不太一样，在欧亚大陆生活了几十万年的尼安德特人早已适应了这里的环境，进化出了很多全新的基因。而走出非洲的现代人通过基因交流，从尼安德特人那里继承了这些基因，这才得以更好地适应了欧亚大陆的新生活。

除此之外，现代人也和丹尼索瓦人发生过基因交流。生活在青藏高原上的人类祖先之所以能够适应那里的高海拔环境，很大原因就在于他们从丹尼索瓦人那里获得了一个名为EPAS1的基因，该基因被证明具有抗高原的特性，今天的藏族同胞体内大都带有这个基因。

所有这些从古人类那里获得的新基因当中，被研究得最多的就是和免疫系统有关的基因，因为它们和人类抵抗传染病的能力有着密切的关系。2016年，一个来自加拿大蒙特利尔大学（University of Montreal）的研究团队发现非洲人的巨噬细胞（Macrophages，免疫细胞的一种）对两种特定病菌的反应速度是欧洲人巨噬细胞的3倍，而导致这一差别的原因就是某些特定基因的表达方式发生了变化。进一步研究发现，这些特定基因大都来自尼安德特人，说明欧洲人正是从尼安德特人那里获得了和非洲人不同的免疫反应特征。

研究人员认为，对于像肺结核这样的传染病来说，过强的免疫系统不是好事，其结果往往就是两败俱伤。尼安德特人和肺结核斗争了很多年，逐渐学会了如何与这种病原体和平共处，所以他们体内的巨噬细胞对细菌的反应强度被调低了。非洲人没有这样的经历，所以他们的免疫系统仍然非常强势。这一特征很可能解释了为什么非洲人患自免疫系统疾病的概率要比欧亚人高，因为这种病的病因就是过于活跃的免疫系统开始攻击自身的组织或者器官，比如红斑狼疮就是一例。

不过，这项研究只是个案，还有一些类似的研究得出了不同的结果。比如法国巴斯德研究所（Pasteur Institute）的一个研究小组研究了单核细胞（Monocytes，另一种免疫细胞）对病原体的反应，发现非洲人和欧洲人虽然仍有不同，但双方有强有弱，不像巨噬细胞那么一边倒。

上述这两个研究有一个共同点，那就是欧洲人和非洲人免疫系统之间的差异大都来自尼安德特人，这就为科学家们解释免疫系统的差异提供了一个非常有用的线索，相关研究正在紧锣密鼓地进行中。

免疫系统的差异还可以用来解释为什么有的人感染新冠病毒后要进急诊病房，有的人却成了无症状感染者。2020年，来自帕博实验室的一项研究发现人类第3号染色体上有一段来自尼安德特人的基因让携带者的新冠重症率比对照组高了3倍，而大约有一半的亚洲人带有这个基因，欧洲人当中的携带率只有16%。

这项研究曾经让某些阴谋论者兴奋了好一阵子，但在2021年，帕博实验室进一步研究了这个问题，在人类第12号染色体上又发现一段来自尼安德特人的基因，能够降低重症率，降幅达到了22%。

这两个实验结果貌似相互矛盾，其实恰好说明人类免疫系统非常复杂，不同的人对新冠这样的新型传染病有着完全不同的反应模式。这种复杂性其实是很有必要的，因为免疫系统是把双刃剑，太弱太强都不好。人类免疫系统的多样性保证了无论遇到怎样的病原体，人类作为一个种群都是不会被彻底消灭的。

具体到某个病或者某个人来说，这项研究告诉我们一个道理，那就是不存在一劳永逸的防御措施。我们必须对症下药，根据病人的基因特征决定最适合他的治疗方法，这就是古遗传学研究带给我们的启示。

研究古人基因的最大价值在于重塑当代人的世界观。

种族主义是当今世界的毒瘤，种族主义者相信不同肤色的人在智力上有区别，证据之一便是他们认为不同的种族有着完全不同的起源。但分子遗传学研究提供了大量无可辩驳的事实，证明现代智人全都来自20万年前的同一个非洲部落。其中一部分人在大约6万年前走出非洲，逐渐扩散至整个世界。所以只要往前推6万年，我们都是一家人。

帕博的发现把上述理论又往前推进了一步。他证明现代智人在走出非洲的过程中和至少两个原始人族群共享过地球，双方甚至有过基因交流，我们都是“杂种人”。而克劳斯则通过自己的研究发现，欧洲最早的居民都是深色皮肤蓝眼睛的人，浅色皮肤很可能只有不到一万年的历史。所有这些发现都从根本上动摇了种族歧视理论的根基，证明当代不同民族在智力水平和社会发展程度等方面的差异都是后天形成的，和基因没有关系。

人类起源的问题解决之后，帕博的兴趣转向了另一个更加终极的问题，那就是现代人究竟是靠什么进化成现在这个样子的？和地球上的其他动物相比，我们人类在智力、思维、文化和创造力等诸多方面都要先进得多，我们正是依靠这些独特的能力称霸世界的。

要想回答这个问题，最好的办法就是比较现代智人和其他灵长类动物之间的异同。帕博早在2002年便发表过一篇关于“语言基因”的重要论文，证明这个名为FOXP2的基因的人类版本和其他灵长类版本有所不同。这个结果暗示人类之所以进化出了高级文明，与人类超强的语言能力密切相关。

但是，尼安德特人的FOXP2版本和人类的很相似，说明单纯的语言能力可能不是造成双方差别的原因。不过，尼安德特人的FOXP2版本影响到了该基因和一个名叫POU3F2的转录因子相结合的能力，这个转录因子被认为和双向情感障碍以及信息处理速度有关，这说明尼安德特人很可能因为这个原因而难以组成大的社群，而人类却可以。

这个结论暗示人类之所以在这场生存竞争中胜出，原因之一就是人类学会了相互团结，互相帮助。尼安德特人虽然个体的适应能力很强，但只善于单打独斗，这是不行的。

除此之外，人类和尼安德特人在外貌和体格上的差异极其细微，只有经过训练的古人类专家才能分辨得出来。后来帕博又通过对尼安德特人基因组的研究证明，我们和他们的基因组差别也只有1.2‰，也就是说每1000个核苷酸里只有1.2个不同之处。已知任意两个现代智人之间的基因差别是1‰，所以说尼安德特人和现代智人之间的亲缘关系是相当近的。

人类和尼安德特人在基因组方面的差别大都出现在无意义的垃圾DNA片段中，真正的氨基酸差别只有96个。人之所以为人，原因很可能就在这96个氨基酸之中。

但96个氨基酸还是太多了，帕博决定把注意力集中在少数几个能够影响大脑发育的基因上。此前已有研究表明，尼安德特人在身高、体重、力量、御寒能力和抗病能力等许多方面都要强过现代智人，我们之所以能在这场竞争中胜出，大脑的差异才是最根本的原因。

于是，帕博实验室的研究人员利用基因编辑技术将尼安德特人和现代智人基因组中的特定基因进行了互换，然后将互换过的细胞诱导成神经干细胞，并在实验室条件下任其发育成一团由神经元组成的三维结构，科学术语称之为“微型脑”（Mini-Brain）。通过分析不同版本的基因在微型脑发育过程中所起到的作用，科学家们找到了一个名为转酮酶样蛋白-1（简称TKTL1）的基因，人类版本比尼安德特人版本更能促进神经元的生长。

两个版本的TKTL1只差一个氨基酸，现代智人版本是精氨酸，尼安德特人版本是赖氨酸。换句话说，仅仅这一个氨基酸的差别，就让人类具备了更强的大脑，从而在这场生存竞争中获得了巨大的优势。

当然了，这个结果只是一家之言，有待进一步研究的检验。但有一点是肯定的，那就是人类之所以能成为今天这个样子，纯属偶然。我们并不是命中注定要去主宰这个世界的，只是命运的一个巧合而已。我们必须善用自己的这种超能力，善待我们所处的生态环境，因为古DNA研究清楚地表明，地球上所有的生命全都来自同一个祖先，30多亿年前，我们是一家人。

结语

从某种角度讲，帕博之所以能取得今天的成就，也是一种巧合。他本科学的是普通生物学，博士论文的主题是人体免疫系统。毕业后他本应该去某个制药厂找一份高薪的体面工作，但他从小就对古埃及感兴趣，这个兴趣让他转向了基因考古学，而在当时这门学问才刚刚起步，没人知道古人的基因序列究竟有没有可能被测出来。事实上，当年科学界的主流看法是不可能，因为当年的技术能力距离这个目标差得很远。

帕博的成功当然要归功于他的执着，这也正是付巧妹对帕博印象最深的地方。成功的另一个重要原因是帕博对细节的重视，因为古DNA测序并不需要多么先进的技术或者多么聪明的大脑，只有对细节无比较真的人才能将无所不在的基因污染剔除掉，从中提取出有用的信息。

但是，帕博之所以能成功的最大原因还是马克斯·普朗克研究所多年来对他的支持，这些支持都是不求回报的。要知道，30多年前帕博刚刚开始研究古DNA的时候没人愿意投钱给他，他是靠马普学会会长批准的一笔特别经费维持下来的。古遗传学这门新兴学科从帕博的个人探索开始起步，直到发展成现在这样一个热门学科并获得诺贝尔奖，靠的就是西方完善的科研体系，以及敢于探索未知且不怕失败的科学精神。

“像这种无关经济效益的原创研究在国外能够开展并获得持续资助，这一点真的值得我们认真学习。”克劳斯的学生、现任厦门大学人类学研究所所长的王传超对我说，“直到现在，我们实验室在申请研究经费时还一直被问有没有经济效益、能不能转化、能纳多少税，因为在管理者们看来，这类没法提高GDP的研究是没有意义的。”

但愿这个诺贝尔奖能够改变管理者们的态度。 帕博诺贝尔奖