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滅亡萬年的尼安德塔人,他們的DNA仍影響著現代人?

本篇建議搭配《我們都有尼安德塔人的血統,但你知道你有多尼安德塔嗎?》一同閱讀,風味更尼安德塔喔!

更認識尼安德塔人,也能更加認識現代人。修改自:Ryan Somma@Flickr

尼安德塔人仍在影響現代人

如今非洲以外的人類,每個人的基因組都有約 2% 左右源於尼安德塔人。近來多項研究指出,這些來自遠古混血的 DNA,仍在對現代人產生各種影響。[1][2][3]

尼安德塔人下台這麼久,還是一直發揮在實質影響力!圖/取自 ref 3

要如何得知尼安德塔 DNA 的作用?這需要大規模的比較。每個人基因組中來自尼安德塔混血的 DNA,總量相去不多,不過不同人的位置有異;基因組上同一個位置,有些人配備混血而來的尼安德塔版本,有些人則繼承自直系智人祖先。

藉由比較不同性狀特徵的人(例如高矮、胖瘦、有沒有糖尿病、心臟病、高血壓),DNA 配備智人祖先,或是尼安德塔版本的差異,可以藉此計算關聯性,研究幾萬年前與尼安德塔人混血,對現代人各種性狀的影響。最近發表的一篇論文,以取自阿爾泰,高品質的尼安德塔基因組為比較對象 [4],做了十分詳盡的分析。[5]

研究尼安德塔混血對現代人性狀的影響,如此大規模的關聯性分析,樣本數目是很重要的,加入統計的樣本數愈多,通常愈能降低誤判的機率。此一新研究因此選擇新近建構,記錄大量英國人遺傳訊息的資料庫「UK Biobank」,篩選後仍有高達 112,338 位英國人用於分析;該資料庫另一個好處是,有完善的性狀記錄,最後有 136 項被用於比較。

每個人的基因組之間都大同小異,那些小小的差異中,有些源自尼安德塔混血,論文稱作「aSNPs(archaic single nucleotide polymorphisms)」。此次在統計上偵測到有差異的性狀中,超過一半與皮膚、毛髮有關,與之前的認知符合,不過靠著更詳細的資料庫,這回能執行更進階的分析。

英國人受尼安德塔 DNA 影響的性狀中,有許多與膚色和皮膚有關。圖/取自 ref 5

尼安德塔 DNA 具體上怎麼影響現代人?這是十分複雜的問題。一如現代人間的差異千變萬化,尼安德塔人彼此的差別,也很可能不會是鐵板一塊,帶給現代人的影響,又更難評估了。

被影響的有:頭髮、膚色、時型……

以髮色為例,很多疑似與紅髮有關的 aSNP,位於已知會影響現代人髮色的 MC1R 基因附近;之前研究過的 2 位尼安德塔人,MC1R 上的一個變異,也會造成紅髮的性狀 [6];然而這樣的基因變異,卻不存在於其他尼安德塔人,包括這回分析的阿爾泰基因組。因此,也許來自尼安德塔人的 DNA,的確曾經影響現代人的髮色,創造過史前櫻木花道,只是紅毛尼安德塔人佔全體族群的比例並不高。

知名的紅毛智人代表:櫻木花道。圖/取自 蘋果日報

對膚色的影響也很微妙。一般說法是,尼安德塔人長居歐洲,陽光與紫外線的曝曬比非洲少,而較淡的膚色有助於吸收紫外線,製造更多維生素 D,因此對生存有利。所以當離開非洲的智人獲得尼安德塔 DNA 以後,那些使得膚色變淡的遺傳變異,容易在前進歐亞大陸北方的智人族群中成為主流,助其適應新環境。

這回確實偵測到許多 aSNP,和歐洲人的膚色變淡有關,不過有趣的是,卻也有一些與 BNC2 基因有關的 aSNP,效果是讓膚色變深。綜合來看,尼安德塔人的外貌應該不會只有一種樣貌,而是如現代人般有各種變化與組合。光憑有限的 DNA 資訊,要預測「尼安德塔人」的膚色、頭髮等外貌特徵,並不容易。

尼安德塔人生存的歐洲,日照模式與非洲不同,在膚色以外,另一個或許與此有關的特徵是時型(chronotype),也就是與晝夜節律、睡眠狀況有關的生理型態。這回找到最明顯的例子是 ASB1 基因,在緯度較高地區的現代人族群,配備尼安德塔版的比例也明顯較多。然而,ASB1 與日照,以及睡眠等相關行為表現,之間確實的關係目前仍不明朗。

ASB1 基因在各地智人族群的分佈狀態,黃色是繼承自智人祖先的版本,藍色是源自尼安德塔混血的版本。大致看來,緯度較高的地區,配備尼安德塔版本的比例也比較高。圖/取自 ref 5

尼安德塔 DNA 的實質影響力有多強?

由以上訊息我們知道,源自尼安德塔人的 DNA,確實會影響現代人,不過影響並不是有或沒有而已,還有程度高低之別;在智人基因組中,那 2% 左右的尼安德塔 DNA,造成的影響力有多少?

用於比較的 136 個性狀中,高達 130 個沒有顯著性差異,也就是說,源自智人祖先與尼安德塔人的 DNA,影響力各自符合其所占比例。剩下的 6 個中,有 2 個是尼安德塔 DNA 的影響力不如智人:容易曬黑(ease of skin tanning)、豬肉攝取(pork intake……?!論文沒有解釋)。

其餘 4 個尼安德塔 DNA 影響力超過智人的性狀,都與行為有關。影響睡眠型態的時型(chronotype)、影響心理狀態的寂寞(loneliness or isolation)、長達兩週缺乏熱情(frequency of unenthusiasm or disinterest in the last 2 weeks),以及是否抽煙(smoking status)。

某些尼安德塔 DNA,似乎與現代化社會中,智人沮喪的心理狀態有關。source:Pixabay

以上分析讓我們知道,幾萬年前與尼安德塔人的遠古混血,影響了現代英國人的許多特徵,像是皮膚狀態、膚色、髮色、心理等等。而藉由探討尼安德塔 DNA 與現代人特徵的關係,也能反過來間接推測,不同的尼安德塔人,個體之間應該存在許多差異,如現代人一般,他們也有多變的膚色、髮色等外貌性狀。

相關未必等於因果,基因型與表現型關聯不能過度解讀

看待這類研究,至少還有幾件事該有概念。首先,以上都是相關性的分析,兩件事之間相關,未必等於也有因果關係。基因型與表現型之間的關係十分複雜,光靠 DNA 無法證實什麼,一定還要有其他輔助實驗,才能釐清基因型如何影響表現型;知道確實的作用機制,才有機會建立因果關係。

再來,同樣的基因型,在不一樣的環境,受到不同的外在力量影響,造成的結果也常常不同。此一研究的相關性是建立於:源自尼安德塔人的少量 DNA,在現代英國族群的基因組中,受到英國當下環境的影響。不能直接應用於其他時空背景,如古代的英國,或是現在的台灣人。

反過來說,這些分析都是研究,少量處於智人基因組中的尼安德塔 DNA,對智人有什麼影響,至於它們對尼安德塔人自己的效果,或許和對智人的影響會很不一樣,這方面仍有太多未解之謎。至少我們不能直接用這些基因型,對智人性狀的影響,預測它們在尼安德塔人身上的表現。

這回也有分析尼安德塔 DNA 是否與英國人喝茶、喝咖啡有關,結果是沒有。圖/取自 這裡

最後,所有研究都有取樣的限制或偏差,偵測尼安德塔 DNA 對智人是否影響更是如此。這回論文分析了 136 個性狀,那麼我們知道的就是這 136 個性狀,在本次研究脈絡中的情形(比方說,尼安德塔 DNA 與喝咖啡、喝茶都無關),其他通通不知道(例如不在 136 個項目中的:會不會做瑜伽、打籃球)。

除此之外,論文也提到,這回找到的某些性狀,像是心理灰暗、抽煙,其他研究也有發現 [7] [8],卻也有些不一致之處,如之前研究偵測到的肥胖,這次卻沒有 [9]。差異或許是統計採取的標準不一所致,也有可能是由於樣本本身的差異造成-接受醫療治療與否,造成性狀的改變,進而影響到關聯性的偵測。

這是很容易想像的:分析一群病人,或是分析一群沒病的人,結果勢必大不相同。假如只著重於遺傳變異和疾病的關聯性,也不會有機會得知尼安德塔 DNA,與髮色之類和疾病無關的特徵,之間會有牽連。

智人的未來

另一方面,也有愈來愈多古代 DNA 被定序成功,例如新近發表,來自文迪亞,不但是第二個高品質的尼安德塔基因組 [10],親緣上也更接近與智人祖先混血的尼安德塔人,想必能帶來更多線索。

更多遺傳資訊、更好的分析方法,都能讓我們更加認識尼安德塔人,這種已經滅亡好幾萬年,其 DNA 卻仍繼續發揮實質影響力的智人近親。不過研究尼安德塔人,能對我們產生的更大意義,也許從來都是更進步的觀念、更宏觀的視野-克服狹隘的舊有偏見,總是能帶領智人,更上一層樓。

延伸閱讀:

參考文獻:

  1. Nédélec, Y., Sanz, J., Baharian, G., Szpiech, Z. A., Pacis, A., Dumaine, A., … & Sabourin, A. P. (2016). Genetic ancestry and natural selection drive population differences in immune responses to pathogens. Cell, 167(3), 657-669.
  2. Quach, H., Rotival, M., Pothlichet, J., Loh, Y. H. E., Dannemann, M., Zidane, N., … & Deschamps, M. (2016). Genetic adaptation and neandertal admixture shaped the immune system of human populations. Cell, 167(3), 643-656.
  3. McCoy, R. C., Wakefield, J., & Akey, J. M. (2017). Impacts of Neanderthal-introgressed sequences on the landscape of human gene expression. Cell, 168(5), 916-927.
  4. Prüfer, K., Racimo, F., Patterson, N., Jay, F., Sankararaman, S., Sawyer, S., … & Li, H. (2014). The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains. Nature, 505(7481), 43-49.
  5. Dannemann, M., & Kelso, J. (2017). The Contribution of Neanderthals to Phenotypic Variation in Modern Humans. The American Journal of Human Genetics, 101(4), 578-589.
  6. Lalueza-Fox, C., Römpler, H., Caramelli, D., Stäubert, C., Catalano, G., Hughes, D., … & De La Rasilla, M. (2007). A melanocortin 1 receptor allele suggests varying pigmentation among Neanderthals. Science, 318(5855), 1453-1455.
  7. Sankararaman, S., Mallick, S., Dannemann, M., Prüfer, K., Kelso, J., Pääbo, S., … & Reich, D. (2014). The genomic landscape of Neanderthal ancestry in present-day humans. Nature, 507(7492), 354-357.
  8. Vernot, B., & Akey, J. M. (2014). Resurrecting surviving Neandertal lineages from modern human genomes. Science, 343(6174), 1017-1021.
  9. Simonti, C. N., Vernot, B., Bastarache, L., Bottinger, E., Carrell, D. S., Chisholm, R. L., … & Li, R. (2016). The phenotypic legacy of admixture between modern humans and Neandertals. Science, 351(6274), 737-741.
  10. Prüfer, K., de Filippo, C., Grote, S., Mafessoni, F., Korlević, P., Hajdinjak, M., … & Reher, D. (2017). A high-coverage Neandertal genome from Vindija Cave in Croatia. Science, eaao1887.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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關於作者

寒波

生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。