摘要: 　　2020年11月19日晚，德国马克思·普朗克研究所-人类历史研究所考古学系博士后宁超老师在红五楼为北京大学考古文博学院师生带来了题为《古DNA：解锁人类历史的新工具》的精彩讲座。讲座的主要内容包括古DNA研究的手段，古DNA研究技术的发展（包括实验技术以及分析技术的进步），国内、外古DNA研究现状以及部分研究实例等。讲座伊始，宁超老师对自己的教 ...

　　2020年11月19日晚，德国马克思·普朗克研究所-人类历史研究所考古学系博士后宁超老师在红五楼为北京大学考古文博学院师生带来了题为《古DNA：解锁人类历史的新工具》的精彩讲座。讲座的主要内容包括古DNA研究的手段，古DNA研究技术的发展（包括实验技术以及分析技术的进步），国内、外古DNA研究现状以及部分研究实例等。

讲座伊始，宁超老师对自己的教育经历与研究方向进行了比较详细的介绍。宁超老师本科毕业于吉林大学生物科学系，研究生阶段于吉林大学攻读生物化学与分子生物学。2017年博士毕业后，宁超老师赴德国马克斯·普朗克研究所-人类历史研究所从事博士后研究。他的研究方向包括：应用全基因组建模分析来追溯古今人群的来源、混合、迁徙以及演化过程；通过基因组学对古代遗骸进行亲缘关系鉴定，结合考古学、语言学等交叉学科方法对史前人群的社会结构进行重建；通过宏基因组学分析方法，对古代遗骸中存在的细菌以及病毒DNA进行重建，为病原-宿主共进化过程及机制提供跨时间维度的直接证据。

细胞内的DNA

　　随后，宁超老师对古DNA研究中应用的遗传标记进行了详细介绍。DNA是生物体一切生命信息的载体，它通过转录成RNA并翻译为具有执行生命功能的蛋白质进行表观遗传。构成人类基因组的几乎所有DNA都包含在人体细胞的细胞核中，被称为“细胞核DNA”。除此之外，我们的细胞中还含有线粒体DNA。线粒体DNA非常小，是由16,569个碱基组成的环状DNA。线粒体DNA在细胞中大量存在，每一个细胞当中大约含有1000个线粒体DNA的拷贝，并且线粒体DNA在遗传过程中不经过重组，执行单一的母系遗传，常用于追溯人类母系遗传的历史。与之相对应，人类的Y染色体为男性所特有，在遗传过程中也有一部分区域不发生重组，因此可用于表征男性的遗传历史。常染色体DNA是细胞核DNA，它由30亿个碱基对组成，且每经过一次换代便发生一次重组，因而反映了更为复杂的祖先成分。

常染色体DNA遗传

　　古DNA是指从考古材料、古生物化石、生物遗体、遗迹及沉积物中获得的古代生物DNA分子。它主要来源于博物馆标本、特殊条件下（如琥珀、永久冻土等）保存的古生物组织及法医样品等。古DNA具有以下特点：一是由于长期暴露在空气中，受到氧化和水解的共同作用，古DNA的内源含量极低，通常在3%左右；二是在长期的埋藏环境中，古DNA片段末端存在广泛的损伤，这一损伤随着时间逐渐积累，是古DNA区别于现代DNA的明显标志；三是古DNA片段高度降解并碎片化，其片段平均长度在60个碱基左右，这个长度远远小于PCR的有效扩增长度，这导致在PCR扩增过程中很高的失败率以及高污染率。

　　随后宁超老师介绍了古DNA的研究简史。古DNA的应用始于1980年湖南医学院对距今2000年前的长沙马王堆汉代女性进行的核酸提取。遗憾的是，由于没有对提取的核酸序列进行测序，因此该项研究未得到国际公认。1984年Higuchi等人对灭绝的斑驴的DNA进行提取，获得了229bp的线粒体DNA，被公认为古DNA研究的起始；1985年，Paabo等人在埃及木乃伊样本中获得了3.45kb的DNA序列。但无论是斑驴DNA还是埃及木乃伊的DNA，所获得的DNA最后都被证明是现代人污染所致。随着1986年聚合酶链式反应(PCR)的发明以及古DNA防污染标准的建立，古DNA研究迎来了快速发展的阶段，古DNA研究成果也逐渐多样性。研究人员逐渐从线粒体DNA转向核DNA的研究，研究材料也从古人样本逐渐转向其他物种。然而PCR的高敏感性导致现代人DNA优先于古人类DNA进行扩增，加上很多研究成果不能得到重复验证，古DNA研究一度陷入困境，很多工作无法发表。随着2006年高通量测序技术的出现与在古DNA当中的应用，测序成本与测序时间大幅降低，古DNA迎来了属于它的春天，使得古人类全基因组大数据获得成为可能。特别是古DNA富集技术的应用，使得低纬度热带地区的古DNA获取成为可能。随着古DNA研究的不断深入，古DNA研究材料的获取愈发多样，人类的颞骨被发现比牙齿含有更高的内源性的古DNA，因此近几年成为古DNA研究，特别是低纬度湿热地区DNA研究的理想材料来源。研究人员也发现，古人类生活面的沉积层中的矿物质和有机质有很强的DNA结合能力，因此可以从这些沉积层中获得DNA。

主讲人宁超老师

　　自从2010年第一篇古DNA的全基因组数据发表以来，古DNA的相关研究呈现爆发式的增长，其中尤以欧洲的古DNA研究最为丰富。近年来的古DNA研究表明在农业传到欧洲以前，欧洲大陆上存在着遗传结构上非常不同的狩猎采集人群，我们分别称作西欧狩猎采集人、斯堪的纳维亚狩猎采集人和东欧狩猎采集人。近东农民在距今8500年左右逐渐迁入欧洲并与当地的狩猎采集人群不同比例的混合，到了距今4500年左右，欧亚草原游牧人群遗传成分开始在欧洲出现，与欧洲的近东农民与土著的狩猎采集遗传成分进行第二次混合，并且可能在此次混合的过程中将印欧语系带到欧洲。因此，现代欧洲人的遗传成分大体上含有3个祖先成分：近东农民的遗传成分，欧洲土著狩猎采集人群的遗传成分与草原游牧人群的遗传成分。

世界已发表的古人类基因组的分布

　　宁超老师接着又介绍了他关于中国北方古人类DNA研究的实例。这项研究从中国北方的黑龙江流域、西辽河流域和黄河流域选取了19个新石器时代至铁器时代的考古遗址，共计55个个体进行全基因组测序分析。研究发现，黑龙江流域自7500年前以来人群的遗传结构几乎没有发生大的变化，说明该地区在迄今几千年来几乎没有受到外来人群的混合。

　　相较于黑龙江流域，中原地区仰韶人群在基因上与黑龙江流域人群能明显的区分开来。并且从仰韶中期开始黄河流域人群逐渐受到来自长江流人群的基因流入，使得稍晚的龙山时期人群在遗传结构上更偏向中国南方。结合植物考古的相关发现，我们认为长江流域人群可能带着集约化的稻作农业一同北迁至中原地区。尽管从龙山时期开始直至铁器时代黄河流域人群遗传结构相对稳定，但历史时期中国南方人群不断的北迁至中原地区并与之混合而逐渐形成现代汉族人群。

　　西辽河流域地理位置上位于西辽河和黄河之间，同地理位置一致，西辽河流域红山文化人群的基因结构也介于黄河流域人群基因库和黑龙江流域人群基因库之间。我们的研究发现，仰韶文化人群对红山文化人群有明显的基因贡献，与考古研究发现的红山文化可能受到过仰韶文化的影响相契合。到了夏家店下层时期，以二道井子遗址为代表的夏家店下层文化人群在基因结构上已经和黄河流域人群（如仰韶人群）的基因结构一致，说明了自仰韶之后，黄河流域人群北迁至西辽河流域并与当地人进行大规模混合或者部分替代。到了夏家店上层文化时期，来自北方草原的游牧人群南下进入到西辽河地区，并与土著的夏家店下层集约化的小米农业人群进行人群混合，同时带入到西辽河流域一定的游牧文化因素。

　　总而言之，与欧洲史前人群不断受到外来人群的混合和替换相比，中国史前人群的基因交流仅限于中国大陆内部南、北方人群的互作，并没有受到外来人群的遗传贡献，人群遗传结构呈现总体的连续性，说明中华民族不仅在文化上一脉相承，在基因上也连续。

　　随后，宁超老师又介绍了古代致病菌的基因组学相关研究进展。古代致病菌的基因组学研究始于2011年，当时研究者发现细菌的DNA会在古代个体的牙髓腔中很好的保存，因此可以通过DNA富集技术对古代致病菌进行全基因组的复原。通过与现代细菌DNA进行平行分析，从而更直接的了解细菌的进化过程、传播途径和路线。得益于计算机软件算法的进步，使得从海量的古人类基因组数据库中寻找致病菌DNA所花费的时间大大降低。如传统的基于NCBI的全物种比对花费一年时间的工作，通过MALT程序只需24小时即可完成。该程序的应用使得越来越多的古代细菌基因组被复原，如麻风杆菌、结核杆菌以及梅毒杆菌等。

通过计算学方法从古代遗骸中发现致病菌

　　宁超老师介绍了鼠疫基因组的相关研究。最早鼠疫基因组发表于2015年，分别来自于西伯利亚阿凡纳谢沃文化和安德罗诺沃文化的两个样本。研究发现鼠疫的传播与青铜时代欧亚草原游牧人群的迁徙路线相一致。进一步研究发现，不同于更晚期以及现代的鼠疫基因组，两例早期样本都存在YMT基因的缺失，该基因编码一种叫作磷脂酶D的蛋白，这种蛋白使得鼠疫杆菌能够在跳蚤体内存活，这一基因的缺失恰好说明早期鼠疫的扩散可能并不是经由跳蚤传播的。

　　随后，宁超老师介绍了使用基因组数据对河南龙山平粮台遗址4例人骨样本进行亲缘关系鉴定，并结合考古学、体质人类学、碳十四测年等多学科证据对龙山时期的婚配方式进行探讨并进行个体家族树的构建。结果表明龙山时期近亲结婚的婚配方式已经存在，并且不排除有收继婚（两姐妹分别嫁给同一男子或者两兄弟分别娶了同一女子）的现象存在。

平粮台四个个体中三个个体之间互为二级亲缘关系

　　最后，宁超老师强调了多学科交叉在基因组研究当中的重要性。古DNA研究能很好的解决人群有无迁徙、混合的问题，却难以回答人群为何混合或者混合动因的问题。这就需要考古学、语言学以及其他学科的证据支持，也是交叉学科的魅力所在。

　　在提问环节，宁超老师就同学们提出的关于DNA研究方法、古代与现代样本如何比较看待等问题进行了详细的回答和说明。

　　

本文已经宁超老师审阅

撰稿人：凌亮优

审稿人：宁超、张海

本文来自“北京大学考古文博学院”微信公众号，我们将努力为您提供丰富的信息，让关心学院发展的您看到一个更活跃、更资深、更全面的考古文博学院。

了解更多信息，请前往北京大学考古文博学院网站:

http://archaeology.pku.edu.cn/

请长按二维码，关注我们

　　预览时标签不可点

　　收录于话题 #

个

　　上一篇下一篇