非洲土著的基因組研究描繪了人類起源和當(dāng)?shù)剡m應(yīng)的復(fù)雜圖景Credit: Cell (2023). DOI: 10.1016/j.cell.2023.01.042
據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)（by University of Pennsylvania）：非洲，人類最初進(jìn)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(xué)團(tuán)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(jìn)行了新的分析 ， 為人類歷史和生物學(xué)提供了新的見解，并可能為未來的精確醫(yī)學(xué)方法提供信息 。
這項工作闡明了歷史上和最近的人類遷徙歷史，并提供了適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的遺傳證據(jù) ， 通過膚色、心臟和腎臟發(fā)育、免疫力和骨骼生長等特征表現(xiàn)出來 。
由賓夕法尼亞大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的研究結(jié)果發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上，對理解非洲血統(tǒng)人群中常見的健康狀況也有意義 。此外，由于非洲人口在基因組研究中代表性不足 ， 該調(diào)查極大地擴(kuò)展了我們對人類基因多樣性的了解 。
這項研究發(fā)現(xiàn)了數(shù)百萬種被稱為單核苷酸多態(tài)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(fā)揮作用的變異，為更廣泛的人受益于基于個體差異的精準(zhǔn)醫(yī)療奠定了基礎(chǔ) 。
“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(xué)教授、這項工作的高級作者Sarah Tishkoff說 。“我們關(guān)注的是那些生活方式更傳統(tǒng)、居住在交通不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)的人群，其中一些人以前從未從這個角度進(jìn)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(jìn)行了嚴(yán)格的全基因組測序 。
“從一個非洲醫(yī)學(xué)科學(xué)家的角度來看，我們的工作證明了長期科學(xué)合作的重要性，并強(qiáng)調(diào)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(xué)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(jù)所表明的那樣，那么可以預(yù)計，將會有更多的努力和資源用于研究非洲人的人類遺傳學(xué)，以便不僅更好地了解人類遺傳學(xué) ， 而且更好地了解人類生理學(xué)和病理學(xué) ， 這是更精確的人類醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ) 。”
這12個族群從事或直到最近還在從事傳統(tǒng)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系的代表:亞非語系、尼羅河-撒哈拉語系、尼日爾-剛果語系和科伊桑語系 。
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 ， 研究小組精心制作了一個全球家譜 。
“推斷非洲人口歷史非常具有挑戰(zhàn)性，因為歷史非常復(fù)雜，”Tishkoff說 。“但是 ， 通過我們的模型，基于共享的基因組變異模式，即使考慮到基因流動——種群遷徙進(jìn)出和雜交，你也可以推斷種群何時擁有共同的祖先 。”
當(dāng)研究小組在他們的模型中考慮到基因流動時 ， 他們發(fā)現(xiàn)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(xiàn)在樹根處 。“這是一個非常新穎的結(jié)果，”Tishkoff說 。先前的分析指出只有桑人是最古老人群的后裔 。
他們還發(fā)現(xiàn)，20多萬年前，桑人和中非狩獵采集群體彼此分離，并與其他已知人口分離 。
種群祖先模型發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)已滅絕的“幽靈”種群的證據(jù)，該種群可能與當(dāng)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(huán)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(fā)現(xiàn)為語言學(xué)支持的人口結(jié)構(gòu)理論提供了支持 。語言學(xué)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(guān)系密切 。根據(jù)基因組結(jié)果，盡管這些群體在數(shù)萬年前就分化了，但有證據(jù)表明，在過去的10，000年里，他們可能在東非擁有共同的起源，并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，盡管他們后來失去了自己的原始語言，并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，哈扎人和桑達(dá)維人(來自坦桑尼亞的說科伊桑語的人)留在當(dāng)?shù)?nbsp;， 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(xiàn)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(xué)的研究合著者Thomas B. Nyambo說:“分析的3200萬個SNP剛剛揭示了在全球范圍內(nèi)以前被邊緣化的地區(qū)擴(kuò)展遺傳研究的重要性 。”“這是闡明進(jìn)化趨勢及其在定制診斷和治療中的意義的前進(jìn)方向 。”
當(dāng)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(shù)據(jù)庫中的SNPs時，他們發(fā)現(xiàn)研究中在非洲個體中發(fā)現(xiàn)的許多變異都被歸類為致病性的 。
“這并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·范說，他在賓夕法尼亞大學(xué)完成了博士后研究，現(xiàn)在在中國復(fù)旦大學(xué)工作 。“相反，它強(qiáng)調(diào)了在人類基因研究中包括不同種族人群的強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn) 。”
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(guān)，只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(shù)據(jù)庫中占主導(dǎo)地位 。
博茨瓦納大學(xué)的Sununguko Wata Mpoloka說:“全面評估基因變異已被用作研究人類疾病的一種策略，并為識別與疾病易感性和進(jìn)展相關(guān)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，將極大地有助于理解精準(zhǔn)醫(yī)療，并可能導(dǎo)致針對這些人群的量身定制的藥物 。”
這些變異中的一些確實可能在健康和疾病中發(fā)揮有意義的作用 。為了獲得這些聯(lián)系，研究人員不僅將突變與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫和已發(fā)表的研究進(jìn)行了比較，還觀察了變異是否發(fā)生在蛋白質(zhì)的編碼區(qū)域或可能調(diào)節(jié)生物相關(guān)途徑和過程的基因表達(dá)的區(qū)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(xiàn)的頻率明顯不同 。這些差異可能是因為等位基因在當(dāng)?shù)剡m應(yīng)不同環(huán)境的過程中發(fā)揮了作用，并被積極地選擇，大概是因為它們賦予攜帶它們的人一些優(yōu)勢 。
從這些分析中出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了大量的SNP，其他科學(xué)家已經(jīng)證明該基因在小鼠的色素沉著中發(fā)揮了作用 。
“根據(jù)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?qū)嶒炇业牟┦亢笱芯繂T、研究報告的合著者袁青·馮說 。"因此，我們假設(shè)PDPK1附近的SNPs可能影響人類的色素沉著."
為了給這一假設(shè)提供機(jī)械證據(jù)，研究人員在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的皮膚細(xì)胞中測試了這些SNPs中的一種(在San中很常見)的影響 。他們發(fā)現(xiàn)抑制含有變體的區(qū)域改變了PDPK1的表達(dá)水平，并降低了實驗室培養(yǎng)的皮膚細(xì)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(lián)系 。該小組的分析發(fā)現(xiàn) ， 在中非狩獵采集者中，與骨骼生長相關(guān)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(rèn)為對他們生活的茂密雨林環(huán)境有利 。
在東非的牧民群體中，研究小組發(fā)現(xiàn)了在腎臟發(fā)育和功能中起作用的基因附近的變異富集，這可能是對干旱條件下生活的一種適應(yīng) 。在東非的哈扎狩獵采集者中，他們發(fā)現(xiàn)了在心臟發(fā)育中起作用的基因附近獨特的變異富集 。
“我的實驗室現(xiàn)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(fā)育的遺傳學(xué)，”Tishkoff說 。
“如果我們了解這些基因是如何調(diào)節(jié)的 ， 這可能會給我們一個線索，解釋為什么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——可能使心臟發(fā)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(tǒng)的人群中發(fā)現(xiàn)了與血壓控制相關(guān)的基因變異，尼洛-剛果是西非群體 ， 與大多數(shù)非洲裔美國人的后裔有共同的祖先 。
“在美國，非洲血統(tǒng)的人高血壓和糖尿病的發(fā)病率很高，這主要是由于社會經(jīng)濟(jì)因素，”Tishkoff說 。“但可能有一些遺傳風(fēng)險因素，加上他們生活的環(huán)境，會影響他們患病的風(fēng)險 。其中一些可能適應(yīng)非洲的環(huán)境，但不適應(yīng)美國的環(huán)境 。”
這些新的數(shù)據(jù)點可能有一天有助于為精準(zhǔn)醫(yī)療方法提供信息 ， 這些方法依賴于了解遺傳和其他個體差異如何影響人們的疾病風(fēng)險、藥物反應(yīng)等 。
“非洲有大量的基因組變異尚未被很好地描述，”Tishkoff補(bǔ)充道 。“我們希望確保所有人群都能從基因組學(xué)革命中受益，我們希望促進(jìn)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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