简历阅读化石的秘密,充满压力的故事

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化石的秘密,充满压力的故事

一个被称为古表观遗传学的新领域正在探索进化如何应对突然的压力。

古生物学家Alan Cooper每年都在育空地区会见一批矿工。随着矿工们的工作,Ferris Jabr喷洒…

e古生物学家Alan Cooper在育空地区会见了一批矿工。当矿工们开始工作时,在冻结的泥浆和淤泥中喷射大量的水来挖掘黄金,他们也在201万2000年前暴露了更新世的动物遗骸。那时,美国北部是大型哺乳动物的暴动。羚羊、骆驼、骆驼和土著马在广袤的平原上游荡;狮子、剑齿猫和可怕的狼四处觅食;巨大的地上树獭也在爬行,剥去树叶和果实的树枝。

但是,当行星转换到目前的地质时代,全新世,绝大多数物种已经灭绝,最有可能是由于气候变化或人类狩猎。在更新世的气候变化是“巨大的,频繁的,快速的,”澳大利亚阿得雷德大学古DNA中心主任Cooper说。“有时在10到十摄氏度的范围内改变一个十年或两年。”通过自然选择的标准进化,动物很难应付这种戏剧性的转变,这常常需要几十年甚至几千年来传播有利的基因突变和磨合适应。

古DNA固有的损伤可以打开古代表观遗传学的窗口。

然而,不知何故,一些巨型动物在水银更新世中幸存下来,包括几种野牛。他们的后裔,北美木材和平原野牛,是今天陆地上最大的陆地动物。古生物学的一个巨大难题就是野牛如此坚韧。当这么多人失败的时候,它是如何适应的呢?

Cooper认为部分答案就在育空多年冻土下面。用正确的技术,他可以从他收集的化石中提取DNA的秘密历史。他们的遗传物质隐藏了科学家刚刚开始理解的进化维度,称为表观遗传学。表观遗传突变可能是遗传的,但与基因突变相反,它们不改变DNA序列。相反,它们表现为粘附在DNA上的分子模式,有助于确定哪些基因是活跃的。表观基因组,如这些模式所知,是高度可塑性的,持续地适应生物体的生理,以及其外部环境的波动。这些表观遗传适应中的一些变得相对稳定。

储藏室:在这里,延伸到阿拉斯加和加拿大育空地区的永冻层保存了几十万年前的骨碎片。Robert Postma /设计PIC/盖蒂图像

如果它们在动物和人中不断地从一代到另一代旅行,研究者们仍在争论,它们代表着一种被忽视的进化形式,截然不同但又平行于典型的基因突变。即使它们不存在,每一代内广泛的表观遗传变化也能帮助动物群迅速适应环境压力,例如气候大波动、食物来源减少,或者在人们的情况下,长期的战争。

然而,目前,表观遗传学对于长期进化的重要性是一个悬而未决的问题。为了帮助回答这个问题,Cooper和年轻的古表观遗传学领域的其他科学家正在从化石中提取DNA,并在巨大的时间范围内比较表观基因组。如果一个基因组就像一个物种进化的主要历史记录,那么大多数学者提到表观基因组是一个仍然被发现的关键注释和修订的最重要的部分。古表观遗传学可以帮助解释环境如何塑造一个物种随着时间的推移,为什么有些物种比其他物种存活,以及物种是如何形成的。不过这并不容易。首先,这将需要大量的挖掘。


尽管研究人员从20世纪80年代开始从原始生物的遗骸中恢复DNA,但直到六年前才恢复化石的古表观基因组是不可能的。与基因组一样,表观基因组存在于细胞的细胞核,它的遗传指挥中心。酶组拉链将各种分子粘附到DNA链上,并从DNA链中分离出来。你可以把这些分子看作DNA可拆卸的挂锁和欢迎垫:它们可以阻止其他蜂窝机器进入某些序列,有效地沉默这些基因,或者鼓励它们。当寻找化石DNA中这些表观遗传标记的踪迹时,研究人员关注最持久的一个:甲基,通常被标记在核苷酸的胞嘧啶上(DNA的四个字母表中的“C”,GATC)。一般来说,甲基化沉默基因。

当DNA已经存在几万年,它不可避免地退化。胞嘧啶经常降解为尿嘧啶,通常在RNA中发现的核苷酸。DNA测序仪误读这些损伤产生的尿嘧啶为胸腺嘧啶(T),因此研究人员常常用各种化学疗法来消除它们。2009,Adrian Briggs试图用尼安德特人的DNA做这件事。当时,他是德国马克斯-普朗克进化人类学研究所的研究生,他是世界著名的古代DNA专家SvuntPaSaqBo研究的。尽管布里格斯尽了最大努力,尼安德特人的DNA序列仍然含有出乎意料的高数量的胸腺嘧啶。

越来越多的证据表明,活的人类中的创伤、饥荒和暴力具有持久的表观遗传效应。

通过与同事的交谈,布里格斯发现只有未甲基化的胞嘧啶降解为尿嘧啶,而甲基化胞嘧啶衰变为胸腺嘧啶。这可能是额外的Ts. Briggs意识到他可以把这种看似讨厌的东西变成一种优势。首先,他将去掉尼安德特人DNA样本中所有的尿嘧啶。然后他会尼安德特人基因组比较对于现代人类基因组,寻找现代人有C和尼安德特人的位置有T。这些位置中的一些可能代表真正的突变,但大多数表明甲基化的尼安德特人胞嘧啶已经退化为胸腺嘧啶。古DNA固有的损伤可以打开古代表观遗传学的窗口。

在2010,布里格斯,P.SaaBaBo,和他们的同事报告说,他们可以重建40000岁的尼安德特人和毛绒猛犸骨头中的DNA甲基化模式。这是一项史无前例的成就。两年后,Cooper和他的团队使用了一种稍微不同和更精确的技术来分析来自育空地区一个26000岁的草原野牛化石DNA中的甲基化模式。在测序之前,他们使用亚硫酸氢钠将所有未甲基化的胞嘧啶转化为尿嘧啶,只留下未受损的甲基化胞嘧啶进行比较。已知在现代牛中一致和高度甲基化的区域在古野牛中也高度甲基化,表明它们的重建是准确的。

按喇叭:Alan Cooper从育空多年冻土中挖出一头野牛头骨。澳大利亚古代DNA中心


e从人类遗骸中发现了更多诱人的发现。去年,哥本哈根大学的Ludovic Orlando和他的同事们推断了一个4000岁的Greenlander DNA中甲基化的模式。不仅甲基化位点与活体人类头发中的DNA相匹配,它们还具有生物学意义,允许在头发中形成蛋白质的关键基因的表达。

同样,耶路撒冷希伯来大学的Liran Carmel和他的团队发现,尼安德特人和丹尼斯凡纳DNA中的甲基大部分与现代人类基因组中的甲基化同步,正如预期的那样密切相关的人类基因。然而,在一些地区,有明显的差异,比如HOXD10HOXD9基因。虽然这些基因序列本身在人类和尼安德特人中是相同的,但它们在后者中更为甲基化。它们对肢体发育也是至关重要的,这表明表观遗传学可能是现代人类纤细的胳膊和腿进化的部分原因,而不是尼安德特人的短小和结实的肢体。一些研究人员已经提出,尼安德特人的解剖结构比我们自己的能量效率低,这可能给我们在狩猎和迁徙长距离以逃避不利条件,如干旱或严冬时的优势。

最近,德克萨斯大学的奥斯丁(Rick Smith)调查了230至4500岁之间的美洲土著遗骸表观遗传学。使用亚硫酸氢盐测序,他能够识别30个样品中的29个甲基化特征,这是前所未有的成功率。他特别感兴趣的是,在过去几千年里,暴力、饥饿和其他压力在土著美洲部落的DNA中留下了表观遗传印象。越来越多的证据表明,活的人类中的创伤、饥荒和暴力具有持久的表观遗传效应,特别是如果他们在生命早期经历过的话。我们可以从古代社会的DNA中寻找相似的表观遗传模式,我们有好的记录表明他们经历了同样的压力。”

压力改变你:表观遗传学可能是现代人类手臂和腿的形式的部分原因(右),其比尼安德特人(左)更苗条。大不列颠百科全书/UIG通过盖蒂图片


尽管许多研究人员对古表观遗传学的潜力感到兴奋,但他们也很快提出了一系列重要的警告。“我们正处在这一领域的诞生,我们有很多潜在的方向,现在我们可以尝试和回答很多问题。“我真的很兴奋,”史米斯说。“但我们应该谨慎行事,对我们所做的推论非常谨慎。”

一些挑战是技术性的:从真正古老的化石中恢复足够的DNA来进行任何有意义的分析是非常罕见的。例如,在他们的第一项研究中,Cooper和他的同事只能从六头野牛头骨中提取足够的DNA。分析本身更为棘手:“几乎你所做的任何事情都会影响你的DNA甲基化模式,”卡梅尔说,“但在所有情况下如何解释这些模式还不完全清楚。”甲基化特征可以从一种类型的组织到另一种类型的巨大变化,所以牙齿、骨骼或毛发的表观遗传学,在EON中生存的组织可能不是整个生物体的准确肖像。不同年龄的不同个体在单种群中也可能有明显不同的表观遗传学,因此在一个或两个样本上得出关于整个物种的广泛结论是暂时的。

到目前为止,研究人员一直试图通过关注基因组的区域来绕过这些困难,这些区域是已知的在给定物种上是强或弱甲基化的。为了对基因组中更多变异的甲基化部分做出自信的结论,他们期望找到适应的迹象,他们必须耐心地收集许多标本。“解决这一问题的唯一办法是处理大量的数字,数以百计的人,因为这样你就可以把那些可能有问题的生物因素平均化,”奥兰多解释道。“那么我们不只是比较个人,而是整个集合。”

如果表观遗传突变本身在动物和人身上遗传,并且存活了好几代,那么它们无疑会改变长期进化。

更大的两难境地是正在进行的关于表观遗传变化是否遗传的争论,以及它们多久才能在进化中产生差异。科学家已经在细菌、真菌和植物中记录了许多表观遗传的案例,但动物中相似的例子更稀少,通常局限于实验室实验。一些对人类健康的长期研究,最著名的是在荷兰饥荒期间和之后追踪家庭的一项研究表明,怀孕的母亲表观遗传地向她的孩子和孙子们传递了不良的健康倾向,但这种影响似乎在随后的几代人中消失了。进一步复杂的事情,而在微生物和植物的跨代表观遗传学的生物机制是相当完善的,他们仍然神秘的动物。

鉴于这些困境和知识鸿沟,一些遗传学家高度怀疑表观遗传学对于长期进化的重要性。表观遗传学研究综述细胞去年的结论是“环境引起的表观遗传变化很少是跨代遗传的,更不用说是适应性的,甚至在植物中也是如此。因此,尽管人们非常重视跨代遗传对人类健康的潜在影响,但目前还没有多少支持。

如果对压力的表观遗传反应不是遗传的,那么研究人员在化石DNA中发现的任何有趣的差异必然局限于特定个体和单个世代。然而,即使没有遗产,表观遗传变异也可能在进化过程中扮演一个微妙和间接的角色:如果它们赋予生物在其一生中的生殖优势,那么它们有助于该生物基因的传播。一些科学家还提出,环境诱导适应有时会成为基因编码:也许,通过未知的机制,基因突变出现,增加了建立某些有益的表观遗传模式的可能性。

如果表观遗传突变本身在动物和人身上遗传,并且存活了好几代,那么它们无疑会改变长期进化。卡梅尔发现在尼安德特人和人类表观基因组之间的差异暗示了在我们自己的进化史上这种可能性,但是这些发现仅仅基于少数DNA样本。直到研究人员积累足够大的古DNA文库,他们无法做出更确切的结论。这就是为什么每年,Cooper和他的同事回到北美洲,漫步在寒冷的黑色山坡上,钻进洞穴寻找有前途的化石。到目前为止,他们已经收集了大约50000年的几百个标本。

Cooper的计划是比较在特定时期之前和之后生活的野牛的表观遗传学,看他是否能将任何表观遗传突变与可能帮助动物存活的解剖学适应联系起来。“这真是一个挑战,”他说,“但现在看起来很有希望。”


Ferris Jabr是波特兰的作家。他已经写好了纽约时报,纽约人,科学美国人,有线,新科学家,大众机械,新星,锥子

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