（populationgenetics）分子系統(tǒng)學(xué)生物分類-吉林大學(xué)課程中心

1、分 子 考 古 學(xué)Molecular Archaeology,吉林大學(xué)邊疆考古研究中心蔡大偉,電話：13604439845 Email: caidw@jlu.edu.cn辦公：匡亞明樓221房間,課程簡介,學(xué)時: 36學(xué)時理論課+12學(xué)時實驗課(親自操作)學(xué)分: 3學(xué)分內(nèi)容: 1. 生物學(xué)基礎(chǔ) 2.古DNA研究方法 3.古DNA應(yīng)用實例,選用教材,課程參考書,,,,,第一章內(nèi)

2、容,一、什么是分子考古？二、分子考古的主要研究內(nèi)容三、分子考古學(xué)的理論基礎(chǔ)四、分子考古學(xué)研究方法五、分子考古學(xué)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系六、什么是古DNA？有何特點？七、古DNA分子保存年限八、古DNA研究簡史,一、什么是分子考古？,分子考古是指利用分子生物學(xué)技術(shù)，對古代的任何可研究對象（包括人類、動植物、微生物）進行分子水平上的考古研究。從研究的方法與手段是來看，分子考古屬于科技考古范疇；從所研究的對象和內(nèi)容上來看，分子考古屬于

3、生物考古范疇。,分子考古研究的四類生物大分子,1.DNA---遺傳物質(zhì)2.蛋白質(zhì)---生命的物質(zhì)基礎(chǔ)3.脂類---生物體的重要能源4.多糖---有機體的能源和碳源,分子考古學(xué)的核心,廣義來說，包括一切古代分子，如古DNA分子、古脂肪酸分子、古蛋白質(zhì)分子以及非生命物質(zhì)中的化學(xué)分子等。狹義而言，分子考古學(xué)的核心是古DNA (ancient DNA)研究，它利用現(xiàn)代分子生物學(xué)的手段提取和分析保存在古代人類和動植物遺骸(remains)

4、中的古DNA 分子去解決考古學(xué)問題。,二、分子考古的主要研究內(nèi)容,人類的起源與遷徙古代動植物的馴化古人的個體識別、群體遺傳關(guān)系及族屬鑒定古人與生活環(huán)境的關(guān)系古病理研究,人類的起源與遷徙,現(xiàn)代生物的遺傳信息僅僅為漫長的進化歷史提供間接據(jù)，從某種意義上來說現(xiàn)代分子進化研究是受到時間束縛的(time trapped)，其結(jié)論可能會與現(xiàn)在古人類學(xué)及考古學(xué)的發(fā)現(xiàn)相矛盾，如果能夠直接從古代人類標(biāo)本中獲取分子演化的證據(jù)，無疑對研究人類的進化和

5、起源具有重要的意義。不同地區(qū)人類的進化模式及其起源，例如東亞人群、歐洲人群以及美洲人群的起源問題。,古代動植物的馴化,在人類漫長的發(fā)展歷程中，動物和植物的馴化是最重要的事件，家養(yǎng)動物向人類提供了穩(wěn)定的動物蛋白來源，是人類社會由散居、漁獵型向群居、農(nóng)業(yè)型轉(zhuǎn)變的重要基礎(chǔ)和必然產(chǎn)物。分析動植物群體歷史遺傳結(jié)構(gòu)的變化，揭示其起源與馴養(yǎng)的歷史及其與農(nóng)業(yè)起源的密切關(guān)系。,古人與生活環(huán)境的關(guān)系,通過對史前人們居住的生態(tài)系統(tǒng)的重建，可以了解當(dāng)時古人

6、的生存適應(yīng)情況，包括食物獲取行為、季節(jié)性遷徙行為以及動植物的馴養(yǎng)行為等。,古人的個體識別、群體遺傳關(guān)系及族屬鑒定,古病理研究,通過鑒定古人遺骸中的病原微生物，例如對流感病毒、結(jié)核分枝桿菌以及麻風(fēng)病的研究，探尋史前和有史記載的疾病歷史和傳播模式。,三、分子考古學(xué)的理論基礎(chǔ),分子系統(tǒng)學(xué) (Molecular Phylogenetics) 群體遺傳學(xué) （Population Genetics）,分子系統(tǒng)學(xué),生物分類：界 門 綱

7、 目 科 屬 種,生物雙命名法：智人 Homo sapiens 尼安德特人 Homo neanderthalensis,Linnaeus,分子系統(tǒng)學(xué)的發(fā)展史,1860年,德國生物學(xué)家?？藸柼岢隽讼到y(tǒng)發(fā)生(phylogeny) 這一概念。早期的研究主要集中于物種、物種形成和地理變異。50年代開始，免疫學(xué)方法和蛋白質(zhì)電泳。70 年代以后，核酸、蛋白質(zhì)和染色體。DNA已經(jīng)成為分子系統(tǒng)學(xué)研究的主要遺傳標(biāo)記。,2.群體遺傳學(xué)（Popu

8、lation Genetics）,群體（populations）是指一群可以相互交配的個體。群體遺傳學(xué)主要研究群體的遺傳結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律，是一門定量地研究生物進化機制的遺傳學(xué)分支學(xué)科。,遺傳平衡定律（law of genetic equilibrium）,也稱為哈代-溫伯格定律是群體遺傳學(xué)的最基本原理。,影響基因頻率變化主要因素,基因突變 (Gene mutation)選擇 (Selection)遺傳漂變（random geneti

9、c drift）群體遷移(Population migration),,,,,,樣本采集,樣本處理,DNA提取,PCR擴增,DNA測序,,,,,Y-DNA mtDNA核DNA,,骨骼、牙齒,,去除樣本表面污染,,,污染控制,,真實性驗證,,DNA數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,四、分子考古學(xué)研究方法,,,1 系統(tǒng)發(fā)育分析,2.群體遺傳學(xué)分析,,,PCR產(chǎn)物檢測,,,,PCR產(chǎn)物純化,,Pre-PCR,Post-PCR,,五、分子考古學(xué)與相關(guān)學(xué)科

10、的關(guān)系,六、什么是古DNA？有何特點？,◆殘存在古代生物遺骸中的遺傳物質(zhì)：脫氧核糖核酸?！粲伤姆N堿基構(gòu)成 A 腺嘌呤 G鳥嘌呤 T 胸腺嘧啶 C 胞嘧啶◆雙螺旋結(jié)構(gòu),1.古DNA的定義,2.古DNA的來源,◆軟組織（Softissues） ◆硬組織（Hardtissues）◆化石（Fossil）,3.古DNA的特點,◆含量極低 在保存狀態(tài)較好的情況下, 2000個分子/mg

11、 在保存狀態(tài)不好的情況下, 10~40個分子/mg◆高度降解 自身修復(fù)機制停止，降解成100-500 bp短的片段◆廣泛損傷 水解損傷、氧化損傷、斷鏈損傷和DNA 交聯(lián),水解主要破壞堿基與糖環(huán)相連接的N-糖苷鍵以及連接磷酸糖骨架的磷酸二酯鍵。氧化作用則對堿基和磷酸糖骨架本身具有破壞作用。斷鏈損傷可以分為內(nèi)源性的酶促降解以及非酶解磷酸二酯鍵的斷裂兩個方面。交聯(lián)是DNA分子和蛋白質(zhì)分子連接在一起

12、。,堿基,糖分子,G,A,C,T,骨組織結(jié)構(gòu),骨組織由大量鈣化的細(xì)胞間質(zhì)及數(shù)種細(xì)胞組成。細(xì)胞間質(zhì)主要由膠原質(zhì)和羥基磷灰石構(gòu)成。膠原質(zhì)與羥基磷灰石通過鈣橋連接形成的嵌合結(jié)構(gòu)具有一定的空間效應(yīng)，弱堿性條件下DNA 片段帶負(fù)電，在羥基磷灰石晶體表面可以形成化學(xué)吸附，這對古DNA 的保存相當(dāng)有利。,七、古DNA分子保存年限,,,,,,Willerslev E & Cooper A. 2004,,在寒冷的條件下DNA分子大致的保存年限

13、。,保存機制研究,Lindahl 等以純化DNA 水溶液為實驗材料對DNA 的降解進行模擬分析，實驗測得在70℃，pH 7.0 條件下DNA 衰減速率為4×10-9 bp/s，進而估計古DNA的最大保存年限為10 萬年。Pääbo發(fā)現(xiàn)DNA 降解存在 “平臺效應(yīng)”。Li的研究表明DNA 水溶液的降解速率來推算古DNA 的保存年限并不準(zhǔn)確。,影響古DNA保存的因素,溫度---濕度---土壤條件---埋藏深

14、度一般來說，恒定低溫的環(huán)境對古DNA 的長期保存起著關(guān)鍵作用。原因在于在寒冷的埋藏環(huán)境下，土壤凍結(jié)成冰的形成過程產(chǎn)生封閉作用，可以隔離造成埋藏生物遺體同DNA氧化分解的氧氣之間的接觸。北緯35度以上是古DNA最佳保存地點。 除了寒冷的環(huán)境以外，濕度較低、中性或弱堿性埋藏環(huán)境有利于古DNA 的保存；深度埋藏將大大減弱UV 輻射或放射性同位素輻射作用，也有利于古DNA 的保存。,八、古DNA研究簡史,◆1981年, 中國科學(xué)院生物物理研

15、究所的王貴海和陸傳宗就對長沙馬王堆一號漢墓出土的一具有2000多年歷史的女尸進行了核酸的分離與鑒定的研究。,1.準(zhǔn)備和醞釀階段（1984-1989）,◆Pääbo在 1985 年運用分子克隆方法從23 具埃及木乃伊中獲得了約公元前2 000 多年的古DNA,◆ 1984年,Higuchi等首次利用克隆技術(shù)從博物館收藏的約140年的斑驢（Quagga）皮膚標(biāo)本中得到古DNA,2. 高潮階段（1989-1994）,◆19

16、86年美國化學(xué)Mullis發(fā)明了劃時代的PCR技術(shù)（Polyme rase Chain Reaction—聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng) ）,◆從中新世(距今1700～2000萬年)的木蘭屬(Magnolia)植物化石中獲取了葉綠體DNA◆從距今約2500萬年琥珀中獲得的白蟻線粒體DNA◆從保存在距今約1.2～1.35億年白堊紀(jì)琥珀中獲得的象鼻蟲DNA◆從距今2500～4000萬年琥珀中的孢子中獲取的古細(xì)菌DNA,3.平穩(wěn)發(fā)展階段（1994-至今

17、）,◆1994年以后, 許多科學(xué)家開始考慮古DNA的真實性問題, 并且驗證出許多原來報道的古DNA其實是DNA污染的結(jié)果（例如恐龍、琥珀化石的研究。科學(xué)家(Poinar, Cooper)開始制定古DNA研究真實性的檢驗標(biāo)準(zhǔn)。,古DNA研究展望,◆多重PCR擴增技術(shù)◆二代測序技術(shù),國外古DNA研究現(xiàn)狀,Ancient Biomolecules Centre （ABC牛津）,University of Cambridge, Cambrid

18、ge, UK.,,Australian Centre for Ancient DNA (ACAD),Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology， Germany,,Uppsala University（Sweden）,,Simon Fraser University（ Canada ）,University of Copenhagen,Eske Willers

19、lev,哥本哈根大學(xué)Eske Willerslev,國內(nèi)古DNA研究歷史與現(xiàn)狀,最早的研究可以追溯到1995年，當(dāng)時北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的科學(xué)家對河南西峽盆地白堊世恐龍蛋化石進行了古DNA的提取和分析，后來這個結(jié)果被證明是外源微生物的污染，盡管如此，該項研究開創(chuàng)了我國古DNA研究的先河。隨后，陸續(xù)有其他高等院校和研究機構(gòu)開展了古DNA研究：中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院、吉林大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）。,吉林大學(xué)古DNA實驗室發(fā)展史,199

20、8年，考古系與生命科學(xué)學(xué)院建立了國內(nèi)第一個專門的古DNA實驗室。萬誠（碩士）是本實驗室古DNA研究第一人。鄭州西山仰韶晚期墓地(新石器時代，約5000年前)、龍頭山夏家店上層文化墓地、三道灣漢代鮮卑墓地和河北陽原姜家梁墓地。 崔銀秋是本實驗室第一個古DNA研究博士，分析了新疆地區(qū)距今4000~2000年期間多民族之間的基因混合程度和遷移模式 。,引起國內(nèi)關(guān)注的是老山漢墓、吐爾基山遼代貴族墓葬人骨遺骸分析。目前開展了動植物的古DNA研