2022诺奖深度解析我们究竟从何而来含考研命题点分析!_尼安德特…(2021年诺奖奖金)

2022年的诺贝尔生理学或医学颁给了跟生理学毫不相关，与医学也没啥直接联系的研究——古人类基因组和人类进化。
好家伙，这下真的是爆冷开局，做进化的居然拿诺奖了！

让我们恭喜瑞典科学家斯万特·帕博，他的开创性直接剑指哲学的三大问题之一——“我们从何而来？”并催生了一门全新的科学——古基因组学。通过揭示现存人类和已灭绝人类的遗传差异，他的发现为理解“我们为何得以成为人类”提供了基础。
虽然在众多学科当中，物种演化相关研究一直处于冷门的行列，然而其重要性却毋庸置疑。美籍俄罗斯生物学家（遗传学家、综合进化论创立者之一）杜布赞斯基就曾说过：
nothing in biology makes sense except in the light of evolution
“如果没有演化论的光芒照耀，生物学中的一切理论将变得苍白无力。”

自从达尔文提出他的自然选择理论和进化假说以来，人们逐渐接受了物种是不断迁徙演化的观点。但就如同人们对其他动

物的研究一样，在几百年的时间里人类一直单纯依靠着解剖学和化石的证据去追问我们自身的进化历史是如何书写的。
随着古人类化石的发现，人们意识到在人类演化历史的晚期，有着不同的人种分布在世界大陆的各个角落，其中最具有代表性的便是非洲的智人和欧洲的尼安德特人，学术界对尼安德特人在人类演化史中的地位争论不休。
在20世纪末期，分子生物学的发展使得我们可以从dna序列这一窗口去对整个物种的演化历史一窥究竟。人们通过研究现有人种的基因，推测尼安德特人的基因并没有在我们身上留下烙印，它们或许在同智人的竞争中完全灭绝。
虽然这一派理论占据了当时的主流，但其中还是有很多地方值得推敲和质疑。其中最重要的一点便是这些结论的得出都没有基于对尼安德特人基因的直接分析。
由于dna的稳定性并不能支持它们以完整的姿态长时间暴露在自然环境中，它们会随着时间的推移逐渐降解以及受到氧化损伤，科学预测dna检出的极限年限为100000年。

幸运的是，尼安德特人的生活时期理论上在这个范围之内，然而以当时的技术，这些残存的dna片段中绝大部分都无法扩增。此外，现代dna污染古代标本和提取物也是一个严重的问题。重重困难之下，当时没有人直接测得过古人类的dna序列。
俗话说总有第一个吃螃蟹的人，而这里的先驱者便是斯万特·帕博。帕博教授一直都对如何从远古样本中提取dna感兴趣，在他老家瑞典攻读病毒学博士学位期间曾经瞒着自己的导师去研究如何从木乃伊中提取dna，并偷偷找了个小杂志发表论文，后来这篇论文被同行发现并获得高度评价，转而登上了《nature》的封面（不得不说大佬就是大佬）。

帕博教授的不务正业引起了身边同僚的注目，但这些关注并不是赞许，相反的是大家都劝说他好好研究病毒，不要浪费时间在奇怪的爱好上。不久之后，我们的主角毅然离开了瑞典，前往美国专职做起了古dna提取相关的研究
几年后，帕博教授收到了一个来自德国莱茵州立博物馆的包裹，而包裹里面装着的正是那个让他声名鹊起的东西——一小块来自尼安德特人的肱骨。

尼安德特人的肱骨
受到莱茵州立博物馆的委托，帕博教授尝试从尼安德特人的肱骨中提取dna，并扩增其线粒体dna来进行后续的分析。由于古dna降解程度太高，每一次的pcr产物很难超过200bp,他们便通过把目标序列拆解为100bp左右的小片段进行扩增，最后组装得到了一条长序列。

我们可以看到，跟参考的人类线粒体dna相比，尼安德特人的序列当中存在着27个位点的突变，其中24个发生了转换(transitions)，2个发生颠换(transversions)，1个发生单个腺苷残基的插入。现代人类和尼安德特人之间线粒体序列差异大约是人类之间的三倍，但大约是现代人类和现代黑猩猩之间的一半。系统发育分析将尼安德特人作为外群去分析非洲人种和其他地区的人种之间的差异时，各个分支都获得了高于89分的置信度，这从分子层面上再次支持了人类的线粒体dna库起源于非洲。

时间到了21世纪，二代测序的发展使得高通量小片段的基因测序成为了可能，这无异于对帕博教授的研究如虎添翼。于是他来到马克斯普朗克研究所，带领团队利用全新的技术成功测得了尼安德特人的基因组。
2008年，人们在西伯利亚南部的denisova洞穴中发现了一个4万年前的指骨碎片。骨头中含有保存得非常好的dna，帕博教授的团队对其进行了测序。结果引起了轰动：与尼安德特人和当今人类的所有已知序列相比，这块骨头中的dna序列是独一无二的。这意味着它们发现了一种以前不为人知的古人类，这一新发现的古人类被冠以发掘地的名称——丹尼索瓦人。

与来自世界不同地区的当代人类的序列进行比较表明，尼安德特人和智人在几千年的共存中发生了杂交，在具有欧洲或亚洲血统的现代人类中，大约1-4%的基因组来自尼安德特人。
同样的基因流动也发生在丹尼索瓦人和智人之间。在美拉尼西亚和东南亚其他地区的人群中，个体携带高达6%的丹尼索瓦dna。

帕博教授的发现引发了对我们进化历史的新理解。在智人迁出非洲时，至少有两个灭绝的古人类种群居住在欧亚大陆。尼安德特人居住在欧亚大陆西部，而丹尼索瓦人居住在欧洲大陆的东部地区。在智人向外扩张和向东迁移期间，他们与不同的人种之间都有着基因交流。
帕博教授的发现写入了教科书，成为了纪录片的重要参考，而他本人依旧活跃在古人类研究的前线，在“我们从何而来”的问卷上书写答案。
考点链接
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dna突变
在物种演化过程种，dna会不断积累突变，这些突变保存在序列里，成为了物种形成的证据。在帕博教授的尼安德特人dna研究中，他发现尼安德特人的序列当中存在着27个位点的突变，那么dna的突变类型有哪些呢？
按照基因结构改变的类型，突变可分为碱基置换、移码、缺失和插入4种
按照遗传信息的改变方式，突变又可分为错义突变、无义突变两类。
一个基因内部可以遗传的结构的改变 ,又称为点突变，通常可引起一定的表型变化 。
基因突变的发生和脱氧核糖核酸的复制、dna损伤修复、癌变和衰老都有关系，基因突变也是生物进化的重要因素之一，所以研究基因突变除了本身的理论意义以外还有广泛的生物学意义。基因突变为遗传学研究提供突变型，为育种工作提供素材。
体外定点突变技术是当前生物、医学各领域研究中的一种重要实验手段，是改造、优化基因的便捷方案，是探索启动子调节位点的有效手段，也是研究蛋白质结构和功能之间的复杂关系的有力工具。
2
测序
帕博教授的研究十分依赖dna的测序，我们同样也来复习一下测序的方法吧！
一代测序又称sanger测序
（本文中用于研究尼安德特人线粒体基因）
反应体系中包括目标dna片段、脱氧三磷酸核苷酸（dntp）、双脱氧三磷酸核苷酸（ddntp）、测序引物及dna聚合酶等。
测序反应的核心就是其使用的ddntp：由于缺少3′-oh基团，不具有与另一个dntp连接形成磷酸二酯键的能力，这些ddntp可用来中止dna链的延伸，于是我们就可以得到长读不一的测序片段，每一个测序片段末端带有的ddntp都可以被检测到
最后利用凝胶电泳和放射自显影只能看到带有荧光标记的ddntp，他们的排列顺序先利用电泳条带前后关系确定，再用a-t, t-a, c-g, g-c关系反转一下，就能知道我们的测序序列了。
二代测序
（本文用于研究尼安德特人基因组）
他的原理是什么呢，大家可以在评论区写下答案哦！答案我们下次揭晓！
三代测序（单分子实时测序技术）
与前两代测序技术相比，其最大的特点就是单分子测序，测序过程无需进行pcr扩增，实现了对每一条dna分子的单独测序。
3
pcr
聚合酶链式反应，又称体外dna扩增技术。
原理：在dna聚合酶催化下，以母链dna为模板，以特定引物为延伸起点，通过变性、退火、延伸等步骤，体外复制出与母链模板dna互补的子链dna的过程。
步骤：
1、变性：
利用高温（94℃）使双链dna分离。高温将连接两条dna链的氢键打断。该步骤时间一般为30s-1min。在此之前，一般还需要进行预变性处理，为了保证dna链全部打开。
2、退火：
在dna双链分离后，降低温度使得引物可以结合于单链dna上。一般根据引物的tm值（tm值=4(g+c) +2(a+t)）为参考，根据扩增的长度适当下调作为退火温度。
3、延伸：
dna聚合酶由降温时结合上的引物开始沿着dna链合成互补链。此阶段的温度依赖于dna聚合酶，一般在72-78℃。该步骤时间依赖于聚合酶以及需要合成的dna片段长度。此步骤之后，有时还需要进行后延伸，也就是将最后一次循环的延伸时间延长至10min。
【参考文献】
[1]krings m,stone a,schmitz rw,etc.neandertal dna sequences and the origin of modern humans. cell. 1997:90:19-30.
[2] green re, krause j, briggs aw, maricic t, a draft sequence of the neandertal genome. science. 2010:328:710-722.
[3] krause j, fu q, good jm, viola b, shunkov mv, derevianko ap, p??bo s. the complete mitochondrial dna genome of an unknown hominin from southern siberia. nature. 2010:464:894-897.返回搜狐，查看更多

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