破译尼安德特人的基因，凭什么就能获得诺奖？

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2022 年诺贝尔生理学或医学奖因古人类研究而授予斯万特·帕博，破译尼安德特人的基因，为什么会是诺奖级别的突破？

5000字长文，简单谈谈帕博的贡献。

历年诺贝尔生理学或医学奖，要不颁奖给人体生理相关的重大发现、医学技术的重大突破，要么颁发给能给未来科研/医学带来深渊影响的工具突破。

而2022 年诺贝尔生理学或医学奖，却授予了瑞典生物学家斯万特·帕博（Svante Pääbo）。

帕博身高足有一米九，瘦，大长腿、长胳膊

颁发理由是：「发现已灭绝人种的基因组和人类进化」。

绝大多数人看到这个成果会有点蒙圈。

如果解释说，他测序了尼安德特人的基因，很多人就会恍然大悟：

• “原来是这个啊！”
• “这真的是诺奖级别的吗？”
• “人类基因测序都没有得诺奖，反而尼安德特人的得了？”

人类基因测序相关的，真的没有得诺奖的吗？

非也！

• 1980年，伯格(PauI Berg)因研究操纵基因重组DNA分子、吉尔伯特(Walter Gilbert)、桑格(Frederick Sanger)因创立DNA结构的化学和生物分析法（链终止法，即双脱氧法）而共同获得诺贝尔化学奖（这是桑格第二次获得该奖）。
• 1993年，穆利斯(K.B.Mullis)因发明“聚合酶链式反应（PCR技术）”法在遗传领域研究中取得突破性成就、史密斯(Michael Smith)因开创“寡聚核甙酸基定点诱变”法而共同获得诺贝尔化学奖。

PCR技术发明者，穆利斯(K.B.Mullis)

• 甚至PCR技术的最初设想（核酸体外扩增）也是有诺贝尔奖得主科拉纳（解出遗传物质）最初提出的。
• 作为DNA测序和PCR扩增技术的开拓者阿兰·查尔斯·威尔逊（Allan Charles Wilson），曾在1991年获得诺奖最终提名，但却遗憾去世。

虽然以上是化学奖，但却是对生命科学有着重大影响的技术工作。

这还仅仅是测序相关的，其它基础性诺奖工作也就不提了。

人类基因组计划，固然是一个伟大而浩瀚的计划。但却是一个世界各国众多人参与，利用前人开发的成熟测序技术。

• 一来，它主要依赖的是前人的测序技术。
• 二来，它参与人员实在太多，而诺奖一次最多授予三位。人类基因组计划参与的各个国家都有重要工作，很难选出一两位代表。

总之，人类基因组相关的成熟技术，大多数已经获得过诺贝尔生理学或医学奖、化学奖等奖项。

这一次的诺贝尔生理学或医学奖，与其说颁发给了古人类学，不如说是颁发给了基因组学。

当然，斯万特·帕博（Svante Pääbo）研究领域的古遗传学，其实这两个学科的交叉学科。

我们不难发现，如果人类基因组计划，是从“二维平面”的角度来研究DNA，它能告诉我们DNA是什么样的、什么样的疾病由什么样的基因确定。但它并不能从时间（进化）的角度，确定人类DNA以及疾病相关的发展渊源。

但如果研究古基因，则加上了一个时间维度，可以把DNA研究变成“三维”的，这样我们就能弄清楚DNA发现脉络，以及相关疾病的渊源。

最早开始做相关工作的古遗传学先驱，正是因为去世而没能获得诺奖的威尔逊。

阿兰·查尔斯·威尔逊（Allan Charles Wilson）

作为分子生物学的科学家，威尔逊率先把DNA测序和PCR扩增技术用在了生物进化上（主要对比类人猿和人类的基因），对重建生物系统发育做了开拓性的工作。

• 随便吐槽一句，很多人反进化论（evolution）的人，总是声称没有现代科学能支持进化论，但其实，整个遗传学、分子生物学都对进化论起到用力支撑，甚至整个系统分类学就完全建立在这种支撑上的。

20世纪80年代，威尔逊团队对人类线粒体DNA（mtDNA）进行研究，发现人类母系基因起源于非洲，并提出“线粒体夏娃”，这个研究也是人类非洲起源论（目前几近为定论）的有力支持。

不过威尔逊的工作 ，主要还是依赖测序当今物种和人类的关系，它并没有从时间线上去“观察”人类的进化，而是相当于从投影（其它物种身上与人类相同的基因）上， 去反推生物进化的时间线。

威尔逊也由此提出了“分子进化钟(molecular clock)”的概念，虽然“分子钟”让人类对进化分支的时间点判断有了划时代的进步，但是从今天的角度来说，“分子钟”其实是存在不小误差的。

例如，实际测得的古类人猿和人类的基因差距，是小于分子钟所预估的数据的。

当然，威尔逊提出“分子钟”的年代，人们也很难直接分析古生物的基因。

古遗传学的奠基工作，还缺少一块无比重要的基石——直接获取并分析古生物的遗传信息（古基因组学）。

而斯万特·帕博，正好是这块重要基石的奠基人。

帕博是苏恩·伯格斯特龙（Sune Karl Bergström）的私生子，伯格斯特龙因对前列腺素的研究，在1982年获得诺贝尔生理学与医学奖，父子获奖时间跨度，正好40年。

1975年，曾任诺贝尔基金会主席。

伯格斯特龙与瑞典女王西尔维娅合影

帕博的母亲同样是一位化学家——凯琳·佩博（Karin Pbo）。

从小跟随母亲生活的帕博，虽然从小受到科学熏陶，励志要当科学家，但他最痴迷的既不是生物也不是化学，反而是古埃及学。

但谁也无法想到，正是因为对古埃及学的痴迷，让他在未来打开了古基因组学的大门。

虽然帕博的博士期间研究「腺病毒的E19蛋白如何调节免疫系统」[1]，但分子生物学领域的他，却偷偷研究起了古埃及的木乃伊[2]。

为了研究木乃伊，帕博每到假期就跑到当时东德博德博物馆，在长期的研究中，甚至最后还学会了德语。

刚开始，帕博的研究初衷也并不是要开拓一个学科。

他的想法很单纯，就是很好奇：当初建造金字塔的那些人到哪里去了，现在的埃及人是不是古埃人以及法老们的后代？

要回答这个问题，最为直接的方式，就是分析法老们的DNA，然后和现代人对比对比。

然而，当时并没有人成功从古生物提取DNA，或者提取工作受到极大客观因素的影响。

古遗传学先驱威尔逊等人的很多研究工作，正是因此而受到了限制。

1984年，威尔逊实验室的一名研究生从灭绝100多年的斑驴（Quagga）皮肤中提取出了DNA，通过对线粒体基因的研究，发现斑驴是斑马近亲，和野驴关系较远。

这个开创性的研究，登上了当年的《自然》杂志。但这其实同样是采取“传统”方法，分析的年代较近的灭绝动物，对于过于久远的动物依旧无能为力。

其实，在威尔逊团队发表这篇论文之前，帕博便已经做出了自己未来事业的奠基性成果——通过化学方法提取到了木乃伊的DNA片段。

他用德语写了篇论文发表在了东德科学院的期刊上，但却最终石沉大海。

幸运的是，1984年11月，帕博正好看到了威尔逊团队发表的关于斑驴的论文。

激动的他产生了一个破天荒的想法，把自己的论文改写成英文，投给《自然》杂志[3]。

他的论文不仅通过了，还受到了威尔逊的密切关注。

当时威尔逊已经是著名生物学家，在伯克利有着自己的实验室。

他本以为帕博是一位教授，所以写信邀请他到自己实验室来工作，当发现帕博仅仅是一位在读博士生时，便邀请他到自己实验室做博士后。

1986年，帕博取得博士学位后，第一时间便去美国参加了一项重要的学术研讨会，在这里他不仅见到了自己的博士后老板威尔逊，也见到了诺奖得主，PCR技术的发明者穆里斯。

这次会议的核心就是讨论DNA测序技术，帕博受益良多。

博士后期间，他逐渐完善了从头骨中提取DNA的技术。

随着深入研究，也让帕博意识到，自己的工作是如此的充满挑战。

因为随着时间的推移，DNA会发生化学修饰，降解成短片段。仅仅几千年的时间，便只剩下微量的DNA。古生物腐败的过程中，还会滋生大量细菌，它们的基因会污染古生物的基因。研究者进行采样、提取等一系列工作的过程中，自身的DNA也可能成为重要的污染源[4]。

为了解决这些问题，威尔逊研究室期间，帕博做了大量古生物的测序工作。

他独立，以及与威尔逊等共同发表的一些和测序相关的重要论文[5] [6] [7] [8] [9] [10]，促使古DNA测序逐渐有了可能。

1990年，随着小说《侏罗纪公园》的出版，全球范围了掀起了古遗传学研究的热潮，但当时不少研究者急功近利地发表恐龙基因提取的论文。但后来却发现，这些论文中所谓的恐龙基因，都是被细菌或者人类基因所污染掉的。

也正好在1990年，帕博回到德国，成了慕尼黑大学教授，专门从事古NDA的研究工作。

一开始他就选择了一个极具挑战性的工作：

测序尼安德特人的基因。

如果说从古埃及人到斑驴是几十倍的时间跨度，那么从尼安德特人到古埃及人又是100倍的时间跨度。

DNA经历早期的快速讲解后，遗留的DNA碎片还会以半衰期521年左右的时间不断衰变[11]。

超过100万年的DNA，将很难提取出有用的信息（这也是为什么，哪怕现代也难以分析恐龙的DNA）。

帕博的研究工作，具有空前的难度。

一直到1996年，帕博团队才通过比较精细的方法，提取到了40万年前的尼安德特人线粒体基因（mtDNA）的379个核苷酸。最终发现，这个曾被认为欧洲人祖先的人种，竟然完全和现代人线粒体基因谱系不同[12]。

这个研究结果，在当时引起了巨大的轰动，也给帕博带来了很大的声望。

论文发表后不久（1997年），帕博进入了德国著名的马克斯·普朗克研究所（马普所），并建立了进化人类学研究所，并担任所长。

随着人类全基因组测序的兴起，帕博开始了对尼安德特人全基因组的测序工作。

从慕尼黑大学到马普所的几年时间，帕博带领团队，逐渐建立起，以PCR检测为基础，探索不同的提取、拼接、恢复、修复DNA的技术[13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20]，最终建立起了，一套能筛选污染基因，并最终破译古DNA碎片的关键技术和流程，成为古基因组学研究的标准范式。

为了尽可能避免DNA被污染，在马普所，帕博几乎建立了世界上最干净的生物实验室。

该实验室分成内外房间，内部房间被厚厚的玻璃门隔开，配备超强的空气过滤装置。可过滤小至0.2微米直径的颗粒，过滤度可达99.995%。

钻取骨粉以萃取DNA

正是因为检测技术的突破，标准流程建立，严格的实验室标准，才让帕博团队破译尼安德特人全部基因有了可能。

相比起正常人的完整DNA序列，尼安德特人的基因，完全就像被撕碎的纸片。人类全组DNA就像一本庞大的巨著，按照一页3000个字母计算，相当于200万页的巨著。

帕博团队的工作，相当于把1000本这样的巨著，撕碎成50个字母的碎片，然后再与30多倍的废纸碎片混合。

它们需要找出这些碎片，然后拼起来。

虽然人类基因组的确定（2001年），让这项不可能的工作变成了可能，但依旧是一个无比庞大的工作量。哪怕在其它实验室帮助下，也利用；呃十几个大容量硬盘，才最终得以处理所有数据。

为了避免出现偏差，帕博团队还同时采用了黑猩猩的DNA，才最终真正测出了尼安德特人的完整DNA序列。

• 2009年，测出草图，到了2010年，发表了相关论文[21]，仅仅附件就达到174页。
• 2014年，建立了尼安德特人完全DNA序列[22]。为了保证DNA序列的精准，每个序列的确定，都至少测定了50次。

研究尼安德特人期间（2010年），帕博团队还仅仅通过牙齿和指骨化石（2008年发现）提取的DNA，便确定了一个全新的人种——丹尼索瓦人(Denisovans)，随后成为《科学Science》2012年度十大科学突破之一。

当时负责提取DNA的，正是后来的中国古DNA测序领军人物付巧妹。

付巧妹所带团队正好是研究古东亚人的基因，如果能正溯中国人起源，那样对中国人也将是一个非凡意义的成果

这一系列的DNA破译，最终证明，尼安德特人和丹尼索瓦人最终都和现代人发生了一定的基因交流。

• 非洲以外人类：尼安德特基因1~2%，且部分基因与现代人糖尿病、心脏病、抑郁症有关。
• 亚洲、澳洲：丹尼索瓦人1%~6%基因。

通过DNA数据，还能进一步建立人类的进化关系：

智人走出非洲，往西与尼安德特人（距今3万年前灭绝）发生基因交流，往东与丹尼索瓦人发生基因交流。但其实，这些都仅仅是我们祖先与其它古人类基因交流的冰山一角。

帕博获得诺奖的真正原因，并不单单是破译了尼安德特人的基因，而是开拓了破译古DNA的技术，并建立了标准和规范，让更多的古DNA破译成为了可能。

在非洲还有大量的古人类DNA尚未破译，2010之后，随着高通量测序的发展，现在已经能够测序古生物中极其微量的DNA。

随着大量的破译工作的积累，未来不仅人类起源会越来越清晰，甚至各个文明的起源的确定，都越来越有了可能性。

在未来，无论对人种还是物种的溯源，以及对疾病的溯源，古基因组学都将继续发挥它的重要价值。

作为奠基人，帕博获得诺奖，其实是实至名归的。

当年威尔逊因为遗憾去世而没有获得诺贝尔奖，帕博的贡献更是青出于蓝而胜于蓝。

帕博的获奖，与其说是冷门，不如说古基因组学是一个相当年轻的学科。人们很难去猜测，诺奖会落在这个科学上。

在古基因组学正在全球兴起的今天，帕博获得诺贝尔生理学或医学奖，其实是实至名归的。

参考

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2. ^http://www.lifeweek.com.cn/article/
3. ^Pääbo, S. Molecular cloning of Ancient Egyptian mummy DNA. Nature 314, 644–645 (1985).
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