非洲土著的基因組研究描繪了人類起源和當地適應的複雜圖景

非洲土著的基因組研究描繪了人類起源和當地適應的複雜圖景Credit: Cell (2023). DOI: 10.1016/j.cell.2023.01.042
（神秘的地球uux.cn）據美國物理學家組織網（by University of Pennsylvania）：非洲，人類最初進化的地方，今天仍然是一個非常多樣化的地方。一個國際科學團隊對來自十幾個種族、文化、地理和語言不同的人群的180名土著非洲人進行了新的分析，為人類曆史和生物學提供了新的見解，並可能為未來的精確醫學方法提供信息。
這項工作闡明了曆史上和最近的人類遷徙曆史，並提供了適應當地環境的遺傳證據，通過膚色、心髒和腎髒發育、免疫力和骨骼生長等特征表現出來。
由賓夕法尼亞大學研究人員領導的研究結果發表在《細胞》雜誌上，對理解非洲血統人群中常見的健康狀況也有意義。此外，由於非洲人口在基因組研究中代表性不足，該調查極大地擴展了我們對人類基因多樣性的了解。
這項研究發現了數百萬種被稱為單核苷酸多態性(SNPs)的新基因組變異DNA序列中一個“字母”的差異——包括許多似乎在健康中發揮作用的變異，為更廣泛的人受益於基於個體差異的精準醫療奠定了基礎。
“對非洲人口中的基因組變異缺乏了解，特別是在種族多樣化的人口中，”賓大綜合知識大學教授、這項工作的高級作者Sarah Tishkoff說。“我們關注的是那些生活方式更傳統、居住在交通不便的偏遠地區的人群，其中一些人以前從未從這個角度進行過研究。”
起源和遷移
研究人員獲得了180個個體的完整基因組序列——12個土著群體中各有15個。這項研究首次對如此基因多樣的非洲群體進行了嚴格的全基因組測序。
“從一個非洲醫學科學家的角度來看，我們的工作證明了長期科學合作的重要性，並強調了將更多非洲人口納入遺傳研究的迫切需要，”喀麥隆雅溫得第一大學教授兼研究合著者Alfred Njamnshi說。
“如果所有的人類都來自非洲，正如越來越多的證據所表明的那樣，那麽可以預計，將會有更多的努力和資源用於研究非洲人的人類遺傳學，以便不僅更好地了解人類遺傳學，而且更好地了解人類生理學和病理學，這是更精確的人類醫學的基礎。”
這12個族群從事或直到最近還在從事傳統的生計:耕作、放牧或狩獵和采集。他們包括來自非洲四個不同語係的代表:亞非語係、尼羅河-撒哈拉語係、尼日爾-剛果語係和科伊桑語係。
將來自這些非洲人群的新基因組序列與來自全球各地人群的其他先前測序的基因組放在一起，研究小組精心製作了一個全球家譜。
“推斷非洲人口曆史非常具有挑戰性，因為曆史非常複雜，”Tishkoff說。“但是，通過我們的模型，基於共享的基因組變異模式，即使考慮到基因流動——種群遷徙進出和雜交，你也可以推斷種群何時擁有共同的祖先。”
當研究小組在他們的模型中考慮到基因流動時，他們發現南部非洲講科伊桑語的群體san以及中部非洲居住在雨林中的狩獵采集者出現在樹根處。“這是一個非常新穎的結果，”Tishkoff說。先前的分析指出隻有桑人是最古老人群的後裔。
他們還發現，20多萬年前，桑人和中非狩獵采集群體彼此分離，並與其他已知人口分離。
種群祖先模型發現了一個現已滅絕的“幽靈”種群的證據，該種群可能與當時的其他種群混雜在一起。“我們沒有來自化石的古代DNA，因為它們在非洲環境中保存得不好，但一種解釋是可能與古代人口混合在一起，”Tishkoff說。
這些發現為語言學支持的人口結構理論提供了支持。語言學家一直在爭論說科伊桑語的群體——他們的語言共享輔音，但在其他特征上非常不同——是否真的關係密切。根據基因組結果，盡管這些群體在數萬年前就分化了，但有證據表明，在過去的10，000年裏，他們可能在東非擁有共同的起源，並分享了更近的基因流。
“我們的建議是，這些點擊語群體可能來自東非，甚至可能來自雨林狩獵采集者，盡管他們後來失去了自己的原始語言，並采用了鄰近的班圖語人口的語言，”Tishkoff說。
這些族群可能向不同的方向分裂，哈紮人和桑達維人(來自坦桑尼亞的說科伊桑語的人)留在當地，而桑人(來自博茨瓦納的說科伊桑語的人)則向南遷移然而，對現代和古代DNA的分析表明，Hadza和Sandawe的祖先與San的祖先之間存在基因流動，這可能解釋了他們語言中的一些相似之處。
新理解的人類遺傳多樣性
新測序的基因組識別了3200萬個SNP，包括500多萬個以前從未被編目的SNP。
坦桑尼亞坎帕拉國際大學的研究合著者Thomas B. Nyambo說:“分析的3200萬個SNP剛剛揭示了在全球範圍內以前被邊緣化的地區擴展遺傳研究的重要性。”“這是闡明進化趨勢及其在定製診斷和治療中的意義的前進方向。”
當研究小組交叉引用先前識別的SNPs與臨床研究中廣泛使用的數據庫中的SNPs時，他們發現研究中在非洲個體中發現的許多變異都被歸類為致病性的。
“這並不意味著非洲人口有更多的‘致病性’變異，”該研究的第一作者華少·範說，他在賓夕法尼亞大學完成了博士後研究，現在在中國複旦大學工作。“相反，它強調了在人類基因研究中包括不同種族人群的強烈需要，特別是因為稀有性是臨床研究中確定變異致病性的一個標準。”
換句話說，這些變異中的一些可能被錯誤地歸類為與疾病相關，隻是因為它們在其他人群中如此罕見，如歐洲人，他們在這些臨床數據庫中占主導地位。
博茨瓦納大學的Sununguko Wata Mpoloka說:“全麵評估基因變異已被用作研究人類疾病的一種策略，並為識別與疾病易感性和進展相關的新位點提供了巨大的力量。”“在此類研究中納入像博茨瓦納這樣研究不足的土著人群，將極大地有助於理解精準醫療，並可能導致針對這些人群的量身定製的藥物。”
這些變異中的一些確實可能在健康和疾病中發揮有意義的作用。為了獲得這些聯係，研究人員不僅將突變與現有的數據庫和已發表的研究進行了比較，還觀察了變異是否發生在蛋白質的編碼區域或可能調節生物相關途徑和過程的基因表達的區域。
他們還尋找被稱為等位基因的突變版本，這種變異在不同人群中出現的頻率明顯不同。這些差異可能是因為等位基因在當地適應不同環境的過程中發揮了作用，並被積極地選擇，大概是因為它們賦予攜帶它們的人一些優勢。
從這些分析中出現了幾個值得注意的變體。例如，在南部非洲的San人群中，研究小組在PDPK1基因附近發現了大量的SNP，其他科學家已經證明該基因在小鼠的色素沉著中發揮了作用。
“根據我們實驗室以前的研究，我們知道與其他非洲人口相比，桑人的膚色相對較淺，”蒂什科夫實驗室的博士後研究員、研究報告的合著者袁青·馮說。"因此，我們假設PDPK1附近的SNPs可能影響人類的色素沉著."
為了給這一假設提供機械證據，研究人員在培養皿中培養的皮膚細胞中測試了這些SNPs中的一種(在San中很常見)的影響。他們發現抑製含有變體的區域改變了PDPK1的表達水平，並降低了實驗室培養的皮膚細胞中皮膚色素黑色素的水平。
這項研究還揭示了與健康和功能的其他聯係。該小組的分析發現，在中非狩獵采集者中，與骨骼生長相關的基因附近存在大量變異。這些族群以身材矮小著稱，這被認為對他們生活的茂密雨林環境有利。
在東非的牧民群體中，研究小組發現了在腎髒發育和功能中起作用的基因附近的變異富集，這可能是對幹旱條件下生活的一種適應。在東非的哈紮狩獵采集者中，他們發現了在心髒發育中起作用的基因附近獨特的變異富集。
“我的實驗室現在正在追蹤這些基因中的一些，看看我們是否能夠了解心肌發育的遺傳學，”Tishkoff說。
“如果我們了解這些基因是如何調節的，這可能會給我們一個線索，解釋為什麽有些人有患心血管疾病的傾向。為了理解異常功能，你首先必須理解正常功能，我們推測這些人的生活方式中有一些東西——例如，不得不走非常長的距離——可能使心髒發育和功能的某些變化變得有利。"
此外，研究人員在尼洛-剛果血統的人群中發現了與血壓控製相關的基因變異，尼洛-剛果是西非群體，與大多數非洲裔美國人的後裔有共同的祖先。
“在美國，非洲血統的人高血壓和糖尿病的發病率很高，這主要是由於社會經濟因素，”Tishkoff說。“但可能有一些遺傳風險因素，加上他們生活的環境，會影響他們患病的風險。其中一些可能適應非洲的環境，但不適應美國的環境。”
這些新的數據點可能有一天有助於為精準醫療方法提供信息，這些方法依賴於了解遺傳和其他個體差異如何影響人們的疾病風險、藥物反應等。
“非洲有大量的基因組變異尚未被很好地描述，”Tishkoff補充道。“我們希望確保所有人群都能從基因組學革命中受益，我們希望促進健康公平，因此我們需要在這些研究中納入更多不同的人群。”

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