Nature新闻和观点：古DNA研究揭示黑死病期间的自然选择比平时快

Ancient DNA reveals rapid natural selection during the Black Death

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▲论文标题▲

【标题关键词】ancient古老的，nature selection自然选择

【参考译文】古DNA揭示了黑死病期间快速的自然选择

【时间】2022年10月19日在线发表

【期刊】Nature（新闻和观点）

【作者】 David Enard

【研究模型/对象】古人DNA

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今年9 月 28 日，《自然》期刊才以封面文章的形式发表了中国科学院古脊椎动物与古人类研究所朱敏院士团队的四篇学术论文，该研究为有颌类的崛起与最早期辐射分化提供了确切证据，改写了 " 从鱼到人 " 的演化史。北京时间10 月 3 日下午 5 点 30 分，2022 年诺贝尔生理学或医学奖重磅公布，马普进化人类学研究所所长Svante Pääbo因“在已灭绝的人类基因组和人类进化方面的发现”而获奖。新冠疫情持续了三年，新型致命毒株可能还会出现，现在各地防控措施依然严格，而今年的干旱火灾等等明显增多了，很多人已经考虑了人类灭绝的可能性。虽然科技在飞速发展，但人类还没有找到除地球外的下一个家园，前路渺茫！可惜的是，人类连自己的进化过程都没有完全弄清楚，即使测序技术更新了几代，而且现有技术已经可以克隆出多种哺乳动物，包括灵长类动物（2018年1月25日，体细胞克隆猴“中中”和“华华”登上学术期刊《细胞》封面），虽然伦理不允许，但技术上是可以实现克隆人的。但是人类从何的研究还不是很全面，所以古人类DNA的研究备受关注...

今天给大家解读一下昨天发在Nature新闻和观点专栏的一篇关于古人类DNA的研究汇总分析。他们从从黑死病之前、期间或之后还活着的人的骨头中提取了DNA并进行研究显示，发现在黑死鼠疫灾难期间的幸存者中，自然选择事件快速发生，这可能使他们的后代患自身免疫性疾病的风险增加。

在工业革命期间，斑纹飞蛾（比斯顿白天蛾）的色素沉着在几十年的时间里发生了变化，自然选择有利于深色的飞蛾，它们可以更好地伪装在烟尘覆盖的表面上【1】。这是进化生物学家早就知道的一个经典例子——在正确的条件下，自然选择可以迅速发生。Klunk等人在《自然》杂志上写道，即使是人类，其历史上种群数量小，世代间隔长，也能以惊人的速度适应【2】。但乘坐进化型的子弹头列车可能是有代价的。

丁酸鼠疫是由鼠疫耶尔森菌引起的致命传染病，由啮齿动物传播。在14世纪，一波被称为黑死病的黑死病浪潮在欧洲杀死了多达50%的人【3】，使其成为现代欧洲历史上有记录以来最致命的大流行。Klunk等人提出了一个简单的问题——黑死病是否如此致命以至于引发了受感染个体基因组的自然选择？换句话说，幸存者是否携带了特定的基因变异，使他们比那些被杀害的人更有可能存活下来？

为了回答这个问题，作者对刚刚在黑死病之前、期间或之后居住在伦敦或丹麦的人的DNA进行了测序（图1）。测序结果使该小组能够追踪在大流行期间更加常见的基因变异。作者推断，这些变异比其他变异更有可能被自然选择——携带它们的人比那些不携带这些变异的人存活得更多，并留下了更多的遗传了保护性基因变异的后代。反过来，这些后代在接下来的疾病浪潮中得到更多的保护，在接下来的四个世纪里每隔几年就会发生一次。事实上，这些随后的浪潮通常没有黑死病4号那么致命【4】。

图1|黑死病期间形成的大葬坑

采集样本的时间窗口狭窄，以及分析的大量样本，是该研究的卖点，使Klunk等人能够准确地确定自然选择的日期。作者利用历史记录和放射性碳年代测定法等方法实现了这一目标。尽管进化生物学家之前曾想知道黑死病期间的自然选择的可能性，但如果没有对许多样本进行精确的年代测定，就不可能进行适当的调查。Klunk和他的同事们发现，在控制对病原体的免疫防御的基因中，选择了大量的基因变异。在短短几代人里，数十到数百种可能预防鼠瘟疫的基因变异以可检测的方式变得更加普遍。作者还发现，最常见的四种是以一种速度和强度从未在人类基因组中观察到的。携带部分或全部这些变异的个体可能具有对鼠疫杆菌有有效反应的免疫防御能力，因此，存活于感染的几率要高得多。

Klunk等人然后用鼠疫杆菌感染了携带不同基因变异的人类细胞的培养物。这些实验证实了最被高度选择的基因变异确实提供了强大的免疫防御——具有这些变异的细胞比不携带这些变异的细胞对鼠疫杆菌感染更有抵抗力。值得注意的是，这种快速和强烈的选择不太可能发生在除免疫防御以外的人类特征上。没有其他一组特征承受着如此强大的进化压力。此外，免疫防御系统的进化是独一无二的，直到上个世纪出现有系统的疫苗接种，人类对病原体的控制还很少。因此，Klunk和同事的研究结果不能推断到人类基因组的其他部分。

最后，有证据表明，黑死病期间自然选择发生的速度可能是以至今仍在付出的代价为代价的。作者发现的一些遗传变异增加了自身免疫性疾病如类风湿性关节炎的风险【5】。也许在黑死病期间，这种增加的风险根本无关紧要，大流行的紧迫性可能使这种权衡成为不可避免的。

虽然这项研究提供了免疫防御变异的快速选择的证据，但也有需要考虑的警告。从历史样本中测序DNA是具有挑战性的，因此作者不得不将他们的测序工作限制在突出的免疫防御基因上。这些基因参与了对许多其他病原体的反应，目前尚不清楚这些基因是否有助于观察到的强烈的自然选择。未来可能的一个研究途径将是对整个基因组进行测序，以进一步确定自然选择的爆发确实是鼠疫杆菌特有的。这可以通过表明自然选择发生在一个特定的基因组合上来实现，这些基因组合作为一个群体的调节只受到鼠疫杆菌的影响。

展望未来，对古代DNA的更多研究也可以使更好地理解自身免疫性疾病的进化起源。人口迁移可以通过“创始人”事件来塑造这类疾病的风险，在这种事件中，特定人口的创始人偶然地碰巧携带特定的疾病相关变异【6】。

Klunk和同事的推论——加上我的小组的一项研究，该研究通过宿主基因组的自然选择确定了一种历史上的流行病——表明古代流行病也是一种需要考虑的力量【7】。

备注：大卫·埃纳迪斯，亚利桑那大学生态与进化生物学系教授，美国亚利桑那州图森市85719。电子邮件：[e-mail]

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参考文献（上下滑动阅读） 

1.Haldane, J. B. S. Trans. Camb. Phil. Soc. 23, 19–41 (1924).

2. Klunk, J. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-022- 05349-x (2022). 

3. Izdebski, A. et al. Nature Ecol. Evol. 6, 297–306 (2022).

4. Green, M. H. Mediev. Globe 1, 9–26 (2015). 

5. Quintana-Murci, L. & Barreiro, L. B. Ann. NY Acad. Sci. 1214, 1–17 (2010). 

6. Ioannidis, A. G. Nature 597, 522–526 (2021). 7. Souilmi, Y. et al. Curr. Biol. 31, 3504–3514 (2021)

本文原文链接：https://www.nature.com/articles/d41586-022-03160-2