在生物學(xué)領(lǐng)域，人類屬于一個(gè)被稱為靈長類的哺乳動(dòng)物類群。類人猿、猴類……在靈長類動(dòng)物中，人類又擁有眾多“親戚”，比如黑猩猩、大猩猩，我們和它們擁有共同的祖先。
那么這個(gè)共同的祖先究竟是誰？我們是怎樣一步步變成人類的？這些靈長類動(dòng)物的起源問題，一直為人們所關(guān)注。
【資料圖】
近日，隨著靈長類基因組計(jì)劃階段性成果的公布，我們離回答這個(gè)問題又向前進(jìn)了一大步。
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01、從祖先到枝繁葉茂
要回答“我們是怎樣一步步變成人類的”這個(gè)問題，就要弄明白我們?nèi)祟惡挽`長類“親戚”之間錯(cuò)綜復(fù)雜的演化關(guān)系，靈長類基因組計(jì)劃就為我們打開了靈長類演化的“黑匣子”。
浙江大學(xué)的張國捷課題組和中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所的吳東東課題組，聯(lián)合國內(nèi)外學(xué)者，利用 50 種靈長類動(dòng)物的全基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行了溯祖分析——也就是反推靈長類各個(gè)類群的起源。
這項(xiàng)工作需要樣本對(duì)生物類群有較高的覆蓋度，才能獲得比較準(zhǔn)確的結(jié)果。此次研究的樣本涵蓋了 14 個(gè)科共 38 個(gè)屬的樣本，其中加入了 27 個(gè)新的高質(zhì)量基因組數(shù)據(jù)，還包括了之前研究中較少涉及的種群。
因此，這項(xiàng)研究在結(jié)果的可靠度和物種的覆蓋度上比之前的研究有了較大的提升。
靈長類樣本選擇完畢后，研究團(tuán)隊(duì)又以鼯猴和樹鼩這兩種與靈長類關(guān)系比較近但并非靈長動(dòng)物的基因組作為外群，重構(gòu)了靈長類的演化關(guān)系，并得到了各主要類群之間在歷史上彼此朝不同方向演化的發(fā)生時(shí)間。
結(jié)果如何？這要從靈長類這個(gè)龐大的“家族”說起。
靈長類動(dòng)物有超過 500 個(gè)現(xiàn)生物種，生物分類學(xué)家將他們歸入到了靈長目共計(jì) 16 個(gè)科的 79 個(gè)屬中。
靈長目演化樹。圖片來源：靈長類圖片由 Stephen D. Nash 繪制，圖片由張國捷課題組和吳東東課題組合作提供
其中，原猴類（原猴亞目，Strepsirrhini）是比較原始的類群，它們分布在非洲、南亞和東亞，狐猴、懶猴和叢猴等就屬于這個(gè)類群。
現(xiàn)代靈長類的主體簡鼻類（簡鼻亞目，Haplorrhini）則又包括了狹鼻類（Catarrhini）和闊鼻類（Platyrrhini）兩個(gè)大類，后者也是兩個(gè)不同的演化分支。
狹鼻類主要分布在歐亞大陸和非洲大陸，比較直觀的形態(tài)特征之一是兩個(gè)鼻孔的間距很短，我們?nèi)祟惥蛯儆讵M鼻類（你可以摸摸自己的鼻子感受一下這個(gè)特征）。
狹鼻類中的猴類被習(xí)慣性地稱為舊大陸猴（按照傳統(tǒng)說法，歐亞非大陸屬于“舊大陸”，美洲大陸則是“新大陸”），包括了我們常說的狒狒、獼猴、葉猴等等。
狹鼻類的另一支——猿類，是舊大陸猴的姐妹群，也分布在“舊大陸”。
詩詞“兩岸猿聲啼不住”中的長臂猿屬于小猿，而黑猩猩、紅毛猩猩、大猩猩和人類等則屬于大猿，在一些刻意強(qiáng)調(diào)我們出身的場合，有時(shí)我們也會(huì)自稱“裸猿”。
人類在從大猿中演化出來的過程中，失去了濃密的體毛，獲得了更加徹底的直立行走姿態(tài)、更加發(fā)達(dá)的大腦結(jié)構(gòu)以及更加復(fù)雜的社會(huì)結(jié)構(gòu)。
美洲大陸沒有猿類，那里的靈長類動(dòng)物是闊鼻類，也被稱為新大陸猴，新大陸猴包括狨類、卷尾猴類、夜猴類、僧面猴類和蜘蛛猴類等。顧名思義，它們的鼻孔間距很大。此外，新大陸猴的尾巴非常靈活，可以輔助攀爬。
這項(xiàng)研究分析得出了所有靈長類的最近共同祖先可能出現(xiàn)在大約 6829~6495 萬年前。
這個(gè)時(shí)間段，距離 6550 萬年前那次造成非鳥恐龍滅絕的白堊紀(jì)末期大滅絕事件非常近，大致處于白堊紀(jì)的時(shí)間邊界位置。
這意味著靈長類動(dòng)物的演化可能受到了物種大滅絕事件的影響，至于如何受到影響的，那就是未來的研究需要回答的問題了。
02、快速演化的大腦
從猿到人，大腦的變化非常關(guān)鍵。
人類可能擁有動(dòng)物界最聰明的大腦，不僅腦容量較大，大腦皮層的結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。和身體的其他部分一樣，人類的大腦也是從靈長類的祖先那里演化而來的。
在漫長的演化過程中，靈長類的腦部容量逐漸增加，占身體的比例也逐步增加，且皮層折疊程度不斷復(fù)雜化。
在靈長類的演化過程中，相對(duì)腦容量的顯著增大有 4 個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，分別發(fā)生在類人猿下目的祖先、狹鼻類祖先、大猿祖先和人類身上。
在猩猩等大猿物種出現(xiàn)之后，這種趨勢(shì)變得尤其突出，并在人類中達(dá)到了頂峰。人類不僅擁有了靈長類動(dòng)物中最大的腦容量，還擁有了折疊程度最為復(fù)雜的大腦皮層。
靈長類物種腦容量演化歷程以及此過程中基因組上的變化。圖片來源：大腦圖像來自密歇根州立大學(xué)，圖片由張國捷課題組和吳東東課題組合作提供
研究發(fā)現(xiàn)，在靈長類演化的過程中，很多與大腦發(fā)育相關(guān)的基因在演化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受到了正向選擇。也就是說，這些基因被自然選擇強(qiáng)化了。
因此，研究人員推測，這些基因?qū)`長類腦容量的增大發(fā)揮了重要作用。
這些基因中還包括一些前人的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的、與大腦發(fā)育相關(guān)的關(guān)鍵基因，這些基因的突變會(huì)導(dǎo)致小鼠的大腦功能受損。
例如，小頭畸形是人類嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)缺陷，病人腦容量由于神經(jīng)細(xì)胞增殖的能力受到阻斷而變小。與小頭畸形相關(guān)的基因在多個(gè)分支中都受到了強(qiáng)烈的正向選擇，很可能在靈長類的腦容量增大過程中發(fā)揮了作用。
此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，一些非編碼區(qū)域在靈長類演化過程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)發(fā)生了加速演化。
非編碼區(qū)域是一些不會(huì)表達(dá)出蛋白質(zhì)的 DNA 區(qū)域，但是這一區(qū)域會(huì)影響基因表達(dá)，如最終增加或減少相應(yīng)蛋白質(zhì)的合成量。
這些區(qū)域很多落在大腦發(fā)育相關(guān)基因的調(diào)控區(qū)域，這些結(jié)果表明了靈長類動(dòng)物在漫長的演化過程中，通過調(diào)節(jié)大腦相關(guān)基因的表達(dá)不斷地優(yōu)化大腦的構(gòu)造。
以上這些發(fā)現(xiàn)表明，靈長類動(dòng)物在演化歷程中，最終演化成大腦更為發(fā)達(dá)的形態(tài)，有很多基因及其調(diào)控區(qū)域參與其中，這豐富了我們對(duì)靈長類大腦演化分子機(jī)制的認(rèn)識(shí)。
03、尋找人類失去的尾巴
在演化過程中，人類丟掉了身后的尾巴。
不論長短，幾乎所有的脊椎動(dòng)物都有尾巴，在屁股上長的尾巴也叫肛后尾。對(duì)于一些動(dòng)作靈敏的靈長類物種，長短不一的尾巴能夠幫助它們穩(wěn)定身體，轉(zhuǎn)向和控制速度，闊鼻猴的尾巴還能起到輔助攀爬的抓握作用。
然而值得注意的是，猿類的祖先卻失去了尾巴，這也成為了猿類的重要特征。猿類是如何失去尾巴的呢？
有意思的是，猿類的尾巴消失得非常徹底，直到目前也沒有猿類祖先逐漸失去尾巴的化石記錄。
早期猿類化石——距今約 2000 萬年前的原康修爾猿（Proconsul），就已經(jīng)沒有了尾巴。猿類失去尾巴獲得了直立行走的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也喪失了攀爬時(shí)用尾巴保持平衡的功能，這可能促進(jìn)了部分猿類從樹冠走向地面。
此前，已有生物學(xué)家對(duì)此做出了一些探討，從適應(yīng)性方面推測了猿類失去尾巴的原因。在分子生物學(xué)層面上，相關(guān)研究還非常有限，推測這一現(xiàn)象可能與一些特定的基因調(diào)控序列的突變有關(guān)。
在此次研究中，通過檢測人猿超科物種的基因組相對(duì)于其他靈長類發(fā)生的變化，研究人員發(fā)現(xiàn)，多個(gè)基因的非編碼調(diào)控區(qū)域積累了大量變異，比如基因 KIAA1217 的調(diào)控區(qū)域。
KIAA1217 基因在人類身上發(fā)生突變可能會(huì)導(dǎo)致脊柱和尾椎畸形，影響脊柱的正常發(fā)育；而在小鼠中，這個(gè)基因的突變則會(huì)導(dǎo)致尾椎數(shù)量的減少?；蛘{(diào)控區(qū)域是 DNA 上能夠調(diào)控基因發(fā)揮作用的特殊區(qū) 域。
或者說，是一些特殊的 DNA 序列。這個(gè)基因調(diào)控區(qū)域在基因KIAA1217 的增強(qiáng)子區(qū)域，并且與基因在同一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)域（TAD）中。
這提示著，這個(gè)基因調(diào)控區(qū)域和基因有很強(qiáng)的交互作用，可能調(diào)控了 KIAA1217 基因的表達(dá)。
猿類的這個(gè)基因調(diào)控區(qū)域的 DNA 序列和其他靈長類有很大不同。研究人員推測，很可能是這些區(qū)域的突變導(dǎo)致了 KIAA1217 基因表達(dá)失衡，導(dǎo)致猿類失去尾巴。
盡管這一假說仍需進(jìn)一步地研究和驗(yàn)證，但是這一發(fā)現(xiàn)已經(jīng)為我們更好地理解猿類演化史提供了新的線索。
KIAA1217基因的調(diào)控區(qū)域在猿類中的快速演化可能導(dǎo)致其丟失尾巴。圖片來源：張國捷課題組和吳東東課題組合作供圖
04、骨骼、體型、消化系統(tǒng)……
在演化過程中，靈長類動(dòng)物的共同祖先在適應(yīng)著各種環(huán)境和食物的同時(shí)，也不斷地經(jīng)歷著骨骼、體型和消化系統(tǒng)的演變。除了大腦的快速演化，這些方面的演化也對(duì)靈長類的適應(yīng)性和生存能力有著重要的影響。本次研究還發(fā)現(xiàn)了許多重要的基因與這些變化相關(guān)。
1. 骨骼
骨骼系統(tǒng)在靈長類動(dòng)物演化過程中的作用異常突出，骨發(fā)育相關(guān)的基因在樹棲生活方式的適應(yīng)性演化中扮演著特別重要的角色。
在靈長類祖先中，有 4 個(gè)與骨發(fā)育相關(guān)的基因（PIEZ01, EGFR, BMPER and NOTCH2）受到了強(qiáng)烈的正選擇，具體功能有待進(jìn)一步明確。
研究人員在長臂猿中也發(fā)現(xiàn)了 4 個(gè)正選擇基因（LONP1, BRCA2, NEK1 and SLC25A24），這些基因的變異會(huì)影響骨骼長度，從而延長前臂，并且對(duì)長臂猿在樹上活動(dòng)和覓食等方面產(chǎn)生重要作用。
2. 體型
靈長類動(dòng)物的體型變化很大，小如只有幾十克的鼠狐猴，大有超過 200 千克的大猩猩。研究者在大猿祖先的基因中發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)重要基因，可能對(duì)大猩猩體型的演化產(chǎn)生了影響。
其中一個(gè)是 DUOX2 基因，它參與對(duì)身體發(fā)育有重要作用的甲狀腺激素的合成。DUOX2 基因變異能導(dǎo)致小鼠體型變小。此外，還有一些基因參與塑造了骨骼發(fā)育和體型大小的調(diào)節(jié)通路。
3. 消化系統(tǒng)
不同的靈長類有不同的飲食習(xí)慣和對(duì)應(yīng)的消化系統(tǒng)，有些靈長類（如葉食性的疣猴類）很喜歡吃樹葉，并且已經(jīng)演化出了獨(dú)特的前腸系統(tǒng)以適應(yīng)這類飲食。
研究發(fā)現(xiàn)了一些關(guān)鍵的消化基因，這些基因在疣猴類的祖先身上受到了正選擇，從而積累了特殊的氨基酸變異，來適應(yīng)這種特殊飲食的狀態(tài)。
例如，ACADM 基因編碼一種在代謝攝入的脂肪酸方面起著關(guān)鍵作用的 Acyl-CoA 脫氫酶，疣猴在這個(gè)基因上發(fā)生的變化提高了它們消化脂肪酸的能力。
再比如，累積的 NOX1 基因變異可以進(jìn)一步幫助疣猴調(diào)節(jié)體內(nèi)的微生物，讓它們更好地消化葉子。它們的腸道還可以通過微生物發(fā)酵，產(chǎn)生短鏈揮發(fā)性脂肪酸，從而提供更多的能量。
靈長目基因組演化特征與表型特征之間的關(guān)聯(lián)。圖片來源：張國捷課題組和吳東東課題組合作供圖
05、結(jié)語
靈長類基因組計(jì)劃不僅探討了包括猿類在內(nèi)的靈長類的演化歷程和物種形成（如首次報(bào)道了靈長類的雜交成種現(xiàn)象），還對(duì)染色體演化、快速演化 DNA 序列、基因的不完全譜系分流等等進(jìn)行了探討，它的成果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，要知道，這是一項(xiàng)龐大又深入的研究。
在尋找生命起源的旅途中，生物學(xué)家們從不會(huì)因?yàn)槲冯y而止步不前。我們究竟是誰？為了回答這個(gè)問題，人類在一組組字母中“解謎”，探求演化的奧秘。我們堅(jiān)信，終有一天，人類會(huì)書寫出完整的生命故事。
注：靈長類基因組計(jì)劃介紹
全球現(xiàn)存有超過 500 個(gè)靈長類物種，分屬于 16 科 9 屬。非人靈長類由于其與人類的近緣關(guān)系，對(duì)于理解人類的起源、演化、生理性狀、疾病等方面的研究具有重要意義。
我國科學(xué)家聯(lián)合國內(nèi)外多個(gè)研究中心，發(fā)起了靈長類基因組計(jì)劃，旨在通過多學(xué)科交叉技術(shù)手段和團(tuán)隊(duì)合作，研究人類在內(nèi)的靈長類物種的起源和分化過程，以及靈長類社會(huì)組織和各種生理特征的演化和遺傳基礎(chǔ)。
此外，該計(jì)劃還將研究靈長類遺傳變異圖譜及其對(duì)人類致病基因變異模式的影響。
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