古代 DNA識別遺傳性疾病追溯更遠的祖先

文 / 劉伯倫
古代DNA識別可以幫助我們追溯更遠的祖先，並研究遺傳性疾病的起源和傳播方式。通過分析古代遺骸中的DNA，科學家可以識別出遺傳性疾病的遺傳標誌，並了解這些疾病在過去的族群中是如何傳播的。古代DNA識別通常需要尋找保存完好的古代遺骸，如骨骸或牙齒，然後從這些樣本中提取DNA。接下來，科學家可以使用現代DNA分析技術來研究這些DNA樣本，並識別出特定的遺傳變異或標誌，這些變異可能與特定的遺傳性疾病相關。研究可以幫助我們了解遺傳性疾病在歷史上的傳播模式，並揭示不同族群之間的遺傳聯繫。同時，它也有助於我們更深入地了解人類的祖先和演化過程。這是一個重要的領域，對於醫學和人類學的研究都有重要的影響。
安德魯·庫里(ANDREW CURRY)發表在最新一期《科學》(Science) 的<  家庭關係 >( FAMILY TIES)指出，基於數千人古代 DNA 的巨型家譜正在揭示史前政治和社會結構。(Giant family trees based on ancient DNA from thousands of people are revealing prehistoric politics and social structure.) 如果研究人員能夠識別遺傳性疾病並將其追溯到幾代人，這項工作還可以為現代醫學提供資訊。「對現代個體的譜系研究對於追蹤罕見變異及其遺傳方式非常有用，」霍夫曼諾瓦說。「過去的九代血統——而且很快就會更長——將使你能夠比現代人更進一步地追踪罕見變異。」
罐子裡裝的是相隔數年去世的親戚
這個「墓罐」是在西班牙東南部一座名為拉阿爾莫洛亞的山頂城堡的地板下發現的，裡面藏著一個謎題。直徑近1公尺的容器中埋著一名20多歲、額頭上戴著閃亮銀冠的婦女。她還戴著鑲著銀箍的銀耳塞、一把鍍銀的錐子，還有一個同伴：一個中年男子和她財產的一小部分安息在同一個罐子裡。這兩個人很可能是青銅時代一個名為埃爾阿爾加(El Argar) 的原始國家的重要成員，該國家從公元前2200 年左右開始，從山頂據點統治了伊比利亞半島的大部分地區近700 年
當考古學家在一個多世紀前首次挖掘這些墳墓並發現許多女人和男人被埋在大罐子裡時，他們認為這些對是皇室夫婦。但考慮到男女之間的貧富差距，後來研究人員得出結論，這些罐子裡裝的是相隔數年去世的親戚。他們認為，這些婦女華麗的裝飾品暗示著母權制，有權勢的婦女被埋葬，她們的兒子或孫子後來也被添加到她們的墳墓裡。
然後，在 2019 年，一群遺傳學家和考古學家從 La Almoloya 婦女和她的同伴以及其他 66 個人中提取了 DNA，這些人成對或單人埋在山頂房屋的牆壁和地板下。分析顯示，這些夫婦不是祖先和後代，而是伴侶。在三起案件中，兒童被埋在父母附近，而父母也被埋在一起；其中一名女嬰是埋葬在宮殿中的一對男女的女兒。「我們沒想到會這樣，」巴塞隆納自治大學考古學家羅伯托·裡施說。「但是（這對夫婦）一定是同時代的，因為他們有共同的後代。」
棺材裡有兩具骷髏的骨頭
DNA 揭示了西班牙青銅時代堡壘拉阿爾莫洛亞 (La Almoloya) 的一個罐子裡一起埋葬的男女之間令人費解的聯繫。巴塞隆納自治大學
結果也顯示，這些精英女性似乎是移居者，可能來自其他地位較高的山頂定居點。這些女性與埋葬在該地點的其他人無關，她們嫁給了彼此有親戚關係且顯然是本地人的男性，這或許是為了將遙遠的埃爾阿爾加定居點編織成一個有凝聚力的早期國家的一種方式。「也許女性在社交網路中至關重要，」里什說。「很明顯，這種文化的主角是女性。」
去年發表的 La Almoloya 的研究結果是大量新研究的一部分，這些研究正在將古代 DNA 研究的焦點從人群之間的遺傳聯繫轉向親密的人際聯繫。隨著 DNA 定序成本的大幅下降，研究人員開始對一個地點的許多人的基因組進行定序，揭示古代社區的結構。馬克斯普朗克進化人類學研究所 (EVA) 的計算生物學家哈拉爾德林鮑爾 (Harald Ringbauer) 表示：「它變得如此便宜，以至於你可以建造整個墓地。」 結合更傳統的考古數據，這場古代 DNA 的海嘯為我們提供了對史前家庭實踐、群體認同和權力前所未有的洞察。EVA 的遺傳學家 Vanessa Villalba-Mouco 表示：「我們不僅可以推斷生物親屬關係，還可以推斷社會習俗。」
過去的人們如何組織社會和尊敬祖先
遺傳學家和考古學家已經聯手剖析了青銅時代草原遊牧民族的婚姻模式，並追蹤了 200 年前埋在馬裡蘭州一處被遺忘的墓地中的數千名被奴役婦女的活著的後代。即將在最近的兩次會議上發布的古代家譜和預印本，承諾不僅揭示兄弟姐妹和親子關係，還揭示相差 10 度的遠房表親，例如在鐵器時代的英國遺址，埋葬著 10 代的 170 名親戚按母系血統分組。在上個月舉行的國際生物分子考古學會會議上，研究人員報告稱，對波利尼西亞一個偏遠島嶼上數百人的親屬關係進行了追踪，結果表明，島上數千年的社會習俗隨著新移民的到來而改變了。
「正在發生非常令人興奮的事情，而且不僅僅是遺傳學家對此感到興奮，」澳洲國立大學考古學家凱瑟琳·弗里曼說。「我們終於到了可以真正就這些數據提出考古問題的時候了」，例如過去的人們如何組織社會和尊敬祖先。
EVA 遺傳學家 Zuzana Hofmanová 表示，這個領域「確實正在蓬勃發展」，她正致力於利用埋在捷克和斯洛伐克教堂下的人的骨頭重建中世紀摩拉維亞的社會結構。「我們只是觸及了表面。還有很多事情要做，而且真的很有趣。」
繪製了古代遷徙和人口遷移圖譜
2010 年第一個完整的古代人類基因組發表，展示了古代 DNA 技術的力量後，一波研究浪潮繪製了古代遷徙和人口遷移圖譜。這項工作利用了廣泛分佈在時間和空間上的樣本，因為對古代基因組進行測序一開始非常昂貴，以至於研究人員經常在每個地點只採樣一兩個個體。遺傳學家關注 DNA 中廣泛的相似性模式，而尋求對社會結構和文化進行細粒度分析的考古學家有時會被邊緣化。「我們從生物學的角度講述了與真實歷史僅間接相關的故事，」美因茨約翰內斯古騰堡大學的遺傳學家約阿希姆·伯格說。「考古學家總是因此而憎恨我們，他們是絕對正確的。」
只需花費數百美元就能分析保存完好的耳骨 DNA
如今，定序成本僅為十年前的一小部分，而且每個樣本往往能產生更多資訊。研究人員只需花費數百美元就能分析保存完好的耳骨 DNA，與取得放射性碳定年法的價格大致相同。基於共享的 DNA 片段，研究可以識別兄弟姐妹並將祖父母與孫子女聯繫起來，以傳統的放射性碳測年法（最多精確到幾十年）無法追蹤墓地的年代順序。巴斯克地區大學遺傳學家伊尼戈·奧拉德 (Iñigo Olalde) 表示：「我們經常告訴考古學家等待，在整理譜系後進行放射性碳測年。」
在古代 DNA 的早期，這種親屬關係訊息被認為是噪音。作為一名博士。2015 年，奧拉德還是一名學生，他回憶說，他曾研究過一種方法來識別古代個體之間的一級關係，以便將兄弟姐妹和父母從他的數據集中剔除。「如果你想了解人們如何移動，你需要盡可能多的不相關的個體。一個家庭就是同樣的 DNA，」奧拉德說。「我們對家庭並不是特別感興趣。」
他驚訝地發現考古學家有不同的感覺。隨著古代 DNA 技術的進步，「我們意識到有很大的潛力......這不僅僅是父子或幾個兄弟姐妹，」他說。「這是整個家庭，幾代人的經歷。」 很快，他與考古學家合作，將最初為龐大的人口研究收集的樣本轉化為關注史前親屬關係的論文。
顯示這些男人和女人在一生中是如何移動的
1970 年代末，人們在一座名為黑茲爾頓北(Hazleton North) 的50 公尺長手推車下發現了數十具骸骨，該手推車由英國最早的一些農民於5700 年前建造，他們也是700年後開始建造巨石陣的同一群人。幾十年來，考古學家一直想知道黑茲爾頓和類似的土丘是否像家庭墓穴，或者更像是共享的神殿，聚集了生物學上無關的社區成員。
在這些新石器時代的英國人中，女性被埋葬在她們配偶的家人身邊，而不是她們的父母——這與後來的埃爾阿爾加爾文化的安排相呼應，這開啟了黑澤爾頓人也是父系的可能性。「在沒有遺傳學的情況下，我們無法判斷，」福勒說。現在，「我們可以將生物性別與我們對年齡的了解結合起來，看看這在社會上具有重要意義。」 考古學家根據人類學證據和骨骼化學線索推測過去社會中的父系社會，但從未能最終證明這一點。福勒希望對骨骼中同位素的研究（可以作為地理指紋）能夠顯示這些男人和女人在一生中是如何移動的。
男性血統統一了墳墓，而女性祖先則細分了社區
儘管黑茲爾頓的婦女們沒有血緣關係，但她們顯然幫助建立了大家庭。家族的創始人有四位女性伴侶。他們顯然來自不同的世代，因為墓中的一位後來的婦女與創始人的兒子以及他的孫子由不同的伴侶生下了孩子，這表明兒子和孫子的年齡有些相似。因此，團隊猜測創辦人的四個工會是連續的，分佈在他的一生中。
在一個多世紀的時間裡，墓葬都是依照女性血統來組織的。兩名婦女及其後代被埋在墳墓的南室，而其他婦女的後代則被埋在土丘另一側的單獨通道中。「當你看到這個佈局時……你與第一代女性中的哪一位有血緣關係似乎真的很重要，而且它似乎已經沿襲了五代人，」福勒說。「男性血統統一了墳墓，而女性祖先則細分了社區。」
新石器時代的家庭事務
埋藏在北黑茲爾頓墓穴中的一個新石器時代氏族的複雜家譜表明，DNA 有望揭示古代關係。創始人是一位男性；藍色陰影表示他與四個女性伴侶的後代。墳墓裡埋葬著他的許多男性後裔，以及他們年幼的男女子女（較小的符號）。成年女兒失踪，可能埋在其他地方。雙方創始人的第三代男性都有一人。
今年夏天，來自法國古爾吉「les Noisats」的新石器時代遺址發布了迄今為止最長、最大的譜系，該遺址已對近 100 個人進行了測序。該遺址比黑澤爾頓早 1000 年，它為父權制提供了有力的證據：七代人中的數十人都將他們的血統追溯到一個男人。迄今為止，來自新石器時代和青銅時代歐洲的十幾個史前家譜中的大多數都表明父權制。約克大學考古學家伊恩·阿米特（Ian Armit）不是古吉團隊的成員，他說，考慮到近代社會中社會結構的多樣性，「它的一致性令人驚訝」。
標準的古代 DNA 分析最多只能將相距兩度的人聯繫起來
其他人則警告說，歐洲 5000 年來的一些研究不足以表明父權制是一種規則。「我們仍在關注單點研究，這些研究無法讓我們得出強有力的結論，」EVA 的遺傳學家沃夫岡·哈克 (Wolfgang Haak) 說。
古爾吉的一些 DNA 提出了謎語。沒有同父異母的兄弟姊妹，這在人們早逝、伴侶可以選擇另一個伴侶的時代很奇怪。根特大學遺傳學家 Maïté Rivollat​​ 表示，這種缺席表明人們甚至在迴避連續伴侶。「也許他們有我們不知道的關於誰被埋在那裡的規則，或者也許他們嚴格實行一夫一妻制。」
在古吉，該團隊還進行了一種新的分析，採用了商業血統測試公司常用的一種技術來識別遠房表親。它被稱為「血統相同」（IBD）分析，它比較相同 DNA 片段的頻率和長度，以找到更遠的親戚。標準的古代 DNA 分析最多只能將相距兩度的人聯繫起來——例如，祖母和孫子。IBD 分析使遺傳學家能夠追蹤遠房表親、曾曾祖父母或其他人。
IBD 分析顯示了女性如何影響古吉的父系社群。「我們看到一名婦女離開了社區，幾代人後，她的後代又回來了，」林鮑爾說。例如，一個沒有女兒埋在墓園裡的女人，卻埋葬了她的後裔。失蹤的女性親屬一定已經離開並在別處生子；這些後代的後裔後來返回並被埋葬在古爾吉。這表明女性與家鄉或出生家庭保持聯繫，作為更大區域網絡的一部分。
識別遺傳性疾病並將其追溯到幾代人
古遺傳學家還希望將他們的工作擴展到歐洲以外的地區，由於充足的資金、樣本的獲取以及歐洲大陸相對涼爽的洞穴和墓葬的良好保存，歐洲的研究蓬勃發展。如果研究人員能夠識別遺傳性疾病並將其追溯到幾代人，這項工作還可以為現代醫學提供資訊。「對現代個體的譜系研究對於追蹤罕見變異及其遺傳方式非常有用，」霍夫曼諾瓦說。「過去的九代血統——而且很快就會更長——將使你能夠比現代人更進一步地追踪罕見變異。」
2008 年，哈克是最早應用古代 DNA 來識別德國中部墳墓中父母和孩子身分的人之一。十五年後，DNA 所能揭示的有關過去生命的資訊範圍正在迅速擴大。「當你走近每座墳墓時，你都會問：他們是誰？他們有關係嗎？空間上的接近是否意味著親屬關係？」 哈克說。「更接近回答其中一些問題是我長期以來的夢想，現在已經實現了。」