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日期:2019-10-08 18:08:23 | 作者: admin

       

原作者:Matthew Warren

研究人员从一百多万年前的一些化石中提取蛋白质,它们可能有助于解决围绕古代的一系列问题 人类。

大约16万年前的一天,青藏高原的一个洞穴中出现了一个古老的人类遗骸。 也许这个人在那里被杀,也许颧骨被他或她的亲戚或拾荒者带到那里。 在短短几年内,肉体已不复存在,骨骼状况开始恶化。 几千年后,冰川再次退缩,前进和后退,只留下一小块牙齿和一些牙齿。 骨头逐渐被包裹在矿物壳中,古老的祖先的DNA被时间和气候侵蚀。 然而,过去仍有一些幸存下来的信号。

弗洛雷斯是科学家希望通过古代蛋白质测序研究的物种之一。
来源:修订自世界历史档案馆/ Alamy

在这个古老的人类遗骸的牙齿内,它仍然是微弱的可识别蛋白质。 科学家在今年早些时候分析它们时检测到了胶原蛋白,这是骨骼和其他组织中的结构蛋白。 现代或尼安德特人胶原蛋白中的单一氨基酸化学标记存在差异,这表明肱骨属于一种神秘的,称为杰尼索娃古代人类组织的成员。 中国的丹麦人是一个具有里程碑意义的重大发现。 这是在西伯利亚Denisova洞外发现的第一个人; 以前,同样的遗体来自洞穴。 此外,该遗址位于海拔3000米的青藏高原上,这意味着丹尼索瓦人可以生活在非常寒冷的低氧环境中。

这一发现还有另一个里程碑:研究人员首次凭借单独的蛋白质鉴定了一个古老的人类

这是新古代地质学领域最引人注目的发现之一。 该学科通过分析古代蛋白质来解决人类和其他动物的历史和进化。 该领域的支持者认为,因为蛋白质在化石中停留的时间比DNA长得多,这使得科学家们可以探索一个新的史前时期。 通过使用分子工具,他们可以研究的骨骼来源也将比现在更广泛。

此前,科学家已经从180万年前的动物牙齿和380万年前的蛋壳中获得了蛋白质。 现在,他们希望古老的蛋白质组学可以用来探索没有遗留DNA的古代人类化石的新见解: 190万年前到14万年前生活在世界部分地区的直立人。 更接近的是6万年前在印度尼西亚生活的弗洛雷斯 - 一个小型的“霍比特人”物种。 通过比较蛋白质之间的差异,科学家们希望回答一些关于古代人类进化的未解决问题,例如哪一​​组是智人的直接祖先。 丹麦哥本哈根大学的生物考古学家马修柯林斯说:“我认为你可以解锁整个人类进化树。” 自20世纪80年代以来,他一直处于古代蛋白质组学研究的前沿,并且该领域只有少数研究人员。

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另一方面,一些研究人员认为,仅仅基于从蛋白质获得的信息很难完全概括人类历史。 这是因为与DNA相比,蛋白质提供的信息量有限。 仍然有许多人担心由于样本污染等问题导致的古蛋白质组学领域可能容易导致错误的结果。 “你会看到一些很棒的研究,然后你会看到人们发布一些奇怪的东西,因为那些人​​并没有批判性地考虑他们使用的研究方法。” 来自德国慕尼黑大学的考古学家Philipp Stockhammer说。

在过去二十年中,来自古代化石的DNA改变了科学家对人类进化的理解。 通过分析不同古代人类之间DNA的相似性和差异性,研究人员能够绘制出过去不可能的复杂而复杂的进化树。 像Denisova人自己的主要发现也归因于遗传物质。

根据胶原蛋白序列的鉴定,160,000年前青藏高原的胫骨属于丹麦语 索瓦。
资料来源:F。Chen et al。 / Nature

但在研究员中 在描绘的图片中仍然存在令人眼花缭乱的差距。 他们只对三个古代人类群体,尼安德特人,丹尼索娃和智人进行了DNA测序,这些标本大多来自10万年(一个值得注意的例外是一对来自西班牙的43万年)。 前早期的尼安德特人。 事情已经持续了数十万年,事情开始变得混乱。。 哥本哈根大学的分子人类学家弗里多韦尔克认为,这是一个很好的发挥时期。 正是在那个时候,杰尼索娃和尼安德特人在进化树上分道扬and,最终变成了现代。 但我们对人类历史的这段时期仍然知之甚少。 例如,研究人员仍然不知道生活在70万到20万年前的古代人类海德堡( Homo heidelbergensis )是智人和尼安德特人的共同祖先,还是As 有人建议,它只属于尼安德特人。 “古老的DNA无法回答这类问题,”韦尔克说。

在一百万年或更长时间里,情况更加不明朗。 例如,直立人首次出现在190万年前的非洲。 但是,如果没有DNA证据,我们无法确定他们与已故人类成员的特定关系,包括智人。

古代DNA仍然存在地理盲点。 因为DNA在较温暖的环境中会更快地降解,即使10万年前出土的西伯利亚冷洞的样本仍然含有遗传物质,但非洲热带或东南亚的同龄化石通常不会。 STRONG>。 因此,对于曾经居住在这些地方的古代人类,如弗洛雷斯,即使他们相对年老,我们仍然不了解他们的基因构成。

如今,研究人员希望蛋白质分析可以开始填补一些这样的空白。 这个想法并不新鲜:早在20世纪50年代,研究人员就已经报道过化石中的氨基酸。 长期以来,不存在对古代蛋白质进行测序所需的技术。 柯林斯说:“在我心里,我不相信有一天我们能够在我们职业生涯的大部分时间里获得古老蛋白质的序列。”

自21世纪初以来情况发生了变化,研究人员已经开始意识到质谱法(一种用于研究当前蛋白质的技术)也可以应用于过去的蛋白质。 该技术的原理是将蛋白质分解成构成它们的肽(短链氨基酸),然后通过分析它们的质量来推断它们的化学成分。

研究人员使用质谱法筛选数百个骨碎片,以确定它们属于哪个物种。 这种更精细的方法被称为动物质谱(ZooMS),研究人员使用它来分析不同组和物种之间质量不同的胶原蛋白。 这为研究人员提供了一个可用于识别骨源的标志。

2016年发表的一篇论文使用了ZooMS,研究人员用它来识别Denisova洞穴骨片中数千个属于古代人类的骨骼。 在DNA分析之后,骨头的主人是混血种族“Dani”(丹尼),她的母亲是尼安德特人,她的父亲是丹尼索娃。 英国弗朗西斯克里克研究所的遗传学家Pontus Skoglund说,即使有这一结果,古蛋白分析也极大地扩展了我们对人类进化的理解。 来自德国马克斯普朗克人类历史研究所的考古学家Katerina Douka目前正在使用ZooMS来筛选来自亚洲的40,000个未识别的骨碎片,希望从内部找到它。 更多属于古代人类的骨骼。

然而,ZooMS只能概述一个粗略的轮廓。 一旦骨骼被确定为古代人类,就有其他技术需要更深入地研究。 因此,其他一些研究人员转向了鸟枪蛋白质组学,这种方法的目的是鉴定样品中的整个蛋白质序列,即其蛋白质组。 蛋白质组的组成取决于被测组织的类型,但它通常涉及许多不同形式的胶原蛋白。 Douka表示,射击可以释放数千个信号,这使得它比ZooMS提供更多信息,但同时更难以解释。 通过将这些信号与数据库中的已知序列匹配来研究能够准确识别样品中胶原蛋白或其他蛋白质的序列。

之后,科学家们可以将这种新鉴定的蛋白质序列与来自其他古代人类的相似蛋白质进行比较,寻找单个氨基酸的相似性和差异性,这有助于将新序列的所有者置于人类进化中 。 树上的相应位置。 这种方法类似于古代DNA研究人员在基因序列中寻找单一碱基变异。

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研究人员将蛋白质分析与古代DNA测序结合使用,并仅分析古代人类蛋白质,首先研究丹麦Sowa 西藏人。 其他类型的研究可能很快就会出现(参见“让化石说话”图片)。 例如,通过分析海德堡人类蛋白质序列,有可能弄清楚它们与智人和尼安德特人的关系。 关系。

研究设计摘要和组详细信息和数据
来源:Flores :P。Brown et al。/Nature ; Denisova牙齿:R。Reich et al。/Nature ; 混血“Dani”:牛津大学Tom Higham; Denisova Man's Bone:F。Chen et al。/Nature ; Naredi:LR Berger et al。/eLife Neanderthal:M。Meyer et al。/Nature ; 直立人:伦敦自然博物馆/阿拉米; 斯蒂芬犀牛:丹麦自然博物馆; “露西“:Wikipedia Commons(120通过Wikimedia Commons,昵称:120这个网站);鸵鸟蛋壳:特里哈里森

自2003年弗洛雷斯的遗Since自从在印度尼西亚的弗洛雷斯岛被发现以来, 他们与其他古代人类之间的关系并不明朗。有些人认为他们可能是直立人的矮人后裔。有些人甚至说他们可能是从古代进化而来的。 属于远离现代人类的属。这群人生活在200多万年前,着名的“露西”就在其中。其中一人。

柯林斯认为 蛋白质组学可以解决这个谜团。“我100%肯定我们可以找到可以测序的Flores蛋白质,结果将揭示它们。 人类进化树的位置。 他说。 这也可能适用于另一个小的古代人类, Homo luzonensis 。 几年前,有人在菲律宾吕宋岛的一个山洞里。 发现了吕宋人的骨头和牙齿。 今年早些时候报道了这一发现。 与Flores的情况一样,DNA不是从那些样品中提取的。 来自菲律宾大学的考古学,奎松市阿尔芒萨尔瓦多·米哈雷斯说,他计划向韦尔克发送一个在吕宋岛洞穴中发现的动物牙齿来测试古代热带地区物质蛋白质分析的可行性

虽然研究人员正准备对古代人类进行更多的蛋白质组学分析,但其他动物的研究已经揭示了他们在遥远的过去中的大量进化关系。>

最近 在研究中,韦尔克和他的同事利用蛋白质组学来确定犀牛进化树上犀牛犀牛的位置。 没有经过同行评审报告的预印本说,他们成功地从格鲁吉亚和德国玛尼西遗址成功了近1.8亿年从前犀牛胫骨中提取的蛋白质。 氨基酸取代的模式表明这些动物与已经灭绝的毛犀牛( Coelodonta antiquitatis )密切相关。

西藏Denisova人的蛋白质来自牙本质(牙齿中的骨骼组织),,这些Stephen Rhinos的蛋白质被密封在覆盖牙齿的牙釉质中。 来自哥本哈根大学的古代蛋白质组学专家恩里科·卡佩利尼(Enrico Cappellini)表示,这对于寻找非常古老的蛋白质非常有用。 牙釉质是脊椎动物中最硬的物质,可防止氨基酸浸出(Cappellini称之为封闭系统)。 他说,这个180万年的时间“不是限制”。

事实上,其他人已经打破了这个限制。 研究人员报告了从340万年前北极地区的骆驼中提取胶原蛋白序列的报道。 此外,根据2016年发表的一篇论文,意大利都灵大学的生物分子考古学家Beatrice Demarchi和她的合作者从380万年前的鸵鸟蛋壳中提取蛋白质并对它们进行测序。 Demarchi说,蛋壳不是保存在寒冷的极地地区,而是来自坦桑尼亚的一个地方,年平均气温为18度。 “你不认为这件事会在如此炎热的环境中存活下来,”她说。 也许我可以在同一个地方获得古代人类的蛋白质,她补充说:“我们必须尝试,不是吗?”

新生儿疼痛 < 在我们使用古老的蛋白质来梳理人类进化树之前,还有一些障碍需要克服。 到目前为止,研究人员已经能够更容易地推断出古代人类的蛋白质序列,因为他们已经拥有来自尼安德特人,丹尼索娃和智人的DNA。 这些DNA允许研究人员预测可能出现在质谱信号中的蛋白质序列。 “你永远不会确定您认为可能从古代生物或当代人的已知基因组序列中出现的片段,然后寻找它们。 “马克斯普朗克进化人类学研究所的Sciente遗传学家SvantePääbo说。”但是当科学家研究旧物时,必须引导它们。这些氨基酸的序列得到解决.Pääbo说这是一个持续的挑战 对于古蛋白质组学,因为蛋白质会降解为小片段,而且样本经常被现代蛋白质污染

< p> 这种蛋白质已被保存在这种牙齿的珐琅质中近180万年,这帮助我们找出了来自佐治亚州Demanisi的古代犀牛的系统发育。
来源 :丹麦自然博物馆

柯林斯认为可以做到。他指出,在2015年发表的一篇论文中,他自己与Welker和其他人一起为南美本地人工作。 oofed动物(一种大约12000年前已灭绝的哺乳动物,种​​类繁多,外形独特)已经绘制出进化树。 由于缺乏来自有蹄类动物化石的现成DNA,研究小组不得不从头开始研究胶原蛋白。 测序结果与其他动物的序列进行比较后,他们发现两种已灭绝的南美本土有蹄类动物既有灭绝又有后躯,与一类动物密切相关,包括马和犀牛,而非一些研究人员。 他们之前曾设想过,他们与非洲动物头(包括大象和海牛)有着密切的关系。

其他限制更为根本。 古老的牙齿和骨骼只含有少量蛋白质。因此,可用于识别标本的信息片段相对较小。 在西藏Denisova人的情况下,该研究获得了八种不同的胶原序列,总氨基酸数略高于2000. 这些氨基酸中只有一种不同于尼安德特人和现代人的序列。 正是这种差异将样本标识为Denisova。 这意味着即使研究人员可以对蛋白质进行测序,例如在直立的人体标本中,这些氨基酸序列提供的信息量可能不足以让我们将直立人与现代或其他古代人类之间的关系联系起来。 任何确定性的结论。 相反,Skoglund说,一个古老的基因组包含多达三百万种不同于任何其他基因组的变异,因此在进化领域,古老的基因组可以提供更多的信息。

此外,因为蛋白质经常发挥重要作用(如形成骨骼),它们并不总是随着物种的进化而发生变化。 例如,珐琅质特异性蛋白质在Denisova,Homo sapiens和Neanderthals中是相同的,因此它们不能用于区分它们。 然而,Welker说这些蛋白质在其他大型猿类之间确实存在差异,因此它们可能在研究老年人时提供更多信息。

然而,研究人员对古代人类蛋白质序列的种群水平差异知之甚少。 例如,科学家们只完成了Danishova基因组的测序。 这意味着在鉴定西藏的丹麦母猪时,研究小组只将其蛋白质序列与相似的蛋白质序列进行了比较,而其他Denisova人群可能会有不同的变异。 “许多遗传学家对这种方法持怀疑态度,但我认为这是因为他们在理解古代人类群体的基因组差异方面取得了很大进展,”杜卡说。

带上古人

还有其他挑战。 一些研究人员担心,过度关注葡萄蛋白质组学可能会导致与20年前古代DNA领域相同的问题。 从20世纪90年代到21世纪初,很多人都看由于污染或其他方法问题,令人兴奋的发现,如来自恐龙或昆虫的DNA,后来被证明是错误的。 “如果在蛋白质组学领域发生同样的事情,我不会感到惊讶,”杜卡说。

该领域的先驱们都意识到了这些问题,许多研究人员正在共同努力建立一个严格的学科。 其中一位是英国约克大学的考古学家杰西卡·亨迪。 她也是应用蛋白质研究早期人类饮食的先驱。 在2018年发表的一篇论文中,Hendy和合作者在8000年前从Quatal Hoyak中发现了陶器中的蛋白质,揭示了早期定居者的食谱包括各种动物和植物,他们甚至将牛奶加工成乳清。

“这项技术非常有趣和吸引人,它引起了很多关注,特别是现在,”Hendy说。 “我们真的需要谨慎,”她补充道。 作为第一作者,她与韦尔克一起发表了一篇论文,概述了葡萄蛋白质组学领域的最佳实践,从污染预防到共享数据。

Hendy还表示,需要对蛋白质如何在大时间尺度上保存和降解进行更多基础研究。 她认为这样的研究可能不是一个大新闻,但它将使研究人员对自己的结果更有信心。 她以Demarchi的研究为例: Demarchi发现,380万年前蛋壳中的蛋白质与壳中的矿物晶体表面相结合,相当于将蛋白质冷藏在那里。 “她的发现非常精彩,它真正解释了蛋白质存活的原因,这使得结果更加可信,”Hendy说。

虽然还有其他问题需要解决,但古蛋白质组学的发展并未显示出放缓的迹象。 人类进化可能是最受关注的,但科学家们也在以各种其他方式应用古老的蛋白质组学,例如在古代牙齿的牙垢中发现疾病迹象,例如探索中世纪羊皮卷中使用的动物。 皮革制成。

这一切让Demarchi非常兴奋。 在为灭绝的生物绘制进化树时,她认为蛋白质组学在这一领域具有巨大的潜力。 “我不认为我会在生命中看到这个领域的结束,”她说。 “这是非常有希望的。”

原来是移动,DNA:古老的蛋白质开始揭示人类的历史 For Title < p> 发布于2019年6月26日,Nature,Newsletter,原始链接: https:/ /www.nature.com/articles/d41586-019-01986-x < / p>

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