您现在的位置: 首页 /  资讯

科技考古、 “一键还原”,G99测序仪还能这样用!

时间:2024-04-01作者:华大智造阅读数:4184分享

3月28日,复旦大学科技考古研究院文少卿团队、生命科学学院金力团队联合厦门大学王传超团队及陕西省考古研究院在Cell Press细胞出版社旗下期刊Current Biology上以“Ancient Genome of the Chinese Emperor Wu of Northern Zhou” 为题发表研究论文。


图1:该研究在Current Biology网站发布截图


该研究以北周武帝(以下简称“武帝”)遗骸中提取的古DNA为样本,基于探针捕获方案进行建库,运用华大智造DNBSEQ-G99等测序平台成功获取了武帝的低深度全基因组信息以及该基因组中的众多SNP位点信息,结合历史学、考古学等多学科知识,以及颅面复原技术,为揭示武帝面部特征、生前罹患疾病可能情况、族源分析提供了有力证据,并最终实现武帝容貌的复原。


“一代雄主”北周武帝长啥样?“一代雄主”北周武帝长什么样?此前,人们只能根据著名画家阎立本的《历代帝王图》(图2E)进行合理想象。如今,随着科技的进步,研究团队计划结合古基因组学与颅面复原技术对北周武帝面貌进行复原,揭开历史谜题。



图2:武帝面部三维重建以及面部特征预测


2015年4月,研究团队正式前往西安对武帝及阿史那皇后遗骨进行采样。考虑到保护武帝颅骨的完整性,在采样时,研究团队没有选取DNA保存最好的颞骨和牙齿部分,而是选择了肢骨断片。


多年来,在考古工作人员中口口相传着一句话——“大墓不见人骨”,由于大型墓地中氧气充分,人骨更易腐败,因此往往保存状况不佳,能提取到的DNA样本里,大部分为土壤微生物DNA,人的DNA占比仅为千分之一。在这样的条件下,想从中获取DNA,并成功完成后续测序和分析是很有挑战性的。经过6年的反复尝试,通过探针富集技术与高通量测序技术,团队成员首次获取约10万个可用的基因位点。


图3:论文核心研究方法截图(部分)


由于武帝的肢骨DNA样本的污染率高,其基因组的解密面临着曲折的路,已获得的10万个位点仅可满足基本的族源分析,对于推测武帝的面貌特征和死因而言则力有不逮。经过1年的努力,研究团队针对高度降解样本优化出一套全新技术方案,包含高效获取短片段的磁珠提取方法、对短片段友好的单链建库方法和专门适用于古DNA的捕获探针。2023年9月,在新技术加持下,结合DNBSEQ-G99在内源率和文库复杂度方面的优异表现,团队终于再次在武帝肢骨样本上获取了约100万个可用的基因位点,较上次提高10倍。这次结果,使得团队成功获取武帝相貌复原的色素沉积相关位点和疾病推断相关位点,并进一步对武帝族源进行更精细的定量分析。


在此基础上,研究团队结合颅骨CT扫描技术,对武帝进行了初步的面貌复原(图2A,B),并分析了控制头发、皮肤和瞳孔色素相关的基因位点,对武帝的面貌进行了一次跨越千年的“面部重建”(图2C)。复原结果显示,北周武帝宇文邕有着黑色头发、黄色皮肤和棕色眼睛,符合典型的东北亚、东亚人长相,与人们想象中鲜卑族相貌具有强烈异域特色——须发茂盛、发色偏黄和高鼻深目大不相同(图2D)。


头戴帝冕、清瘦英武、不怒自威,这是我国首次以科技考古方式复原古代帝王容貌,赋予历史以鲜活气息。



“胡汉混血”揭秘鲜卑族群历史起源


多年来,鲜卑人的外貌长相是历史学界较具争议的话题之一。此外,鲜卑人群的起源之说也是历史学和人类学领域的重要课题。通过对武帝基因组进行分析,研究团队从遗传学角度揭示了武帝及其家族的族源,对理解鲜卑人群的长相特征与起源提供了重要证据。


复旦科技考古团队认为,武帝宇文邕是胡汉混血儿。通过遗传学分析,研究团队发现,武帝与古代契丹人、黑水靺鞨人以及现代达斡尔人、蒙古人存在最近的遗传关系,并估计武帝血统有六成源于古代黑龙江流域的东北亚人群,三成源于古代黄河流域的农业人群。武帝家族谱系表明他的祖母王氏可能是北方汉人,所以,武帝约三分之一的古代黄河流域血统极可能是鲜卑与汉族长期通婚的结果。因此,推断武帝的这种遗传构成很可能是由于鲜卑皇室与当地汉族贵族之间长期通婚所致。


武帝的遗传起源分析为在汉人的形成过程中汉族与非汉贵族的通婚融合过程提供了直接证据。同时,不同地理区域的鲜卑人内部也存在一定的遗传差异,说明鲜卑族群的形成也是一个充满动态变化的过程,受到与周边其他人群通婚融合的影响。



图4(A)武帝的墓穴所在地及其与其他族群的亲缘关系介绍;(B)孝陵平面图;(C)墓道、墓室文物分布图;(D)北周武帝墓志铭


这一发现,为南北朝时期贵族之间“胡汉融合”找到了直接证据,对理解汉民族的形成意义重大。



“千年悬案”终破解——武帝死因之谜


长期以来,武帝的死因扑朔迷离,此前主要通行两种说法:其一为死于烈性疾病,其二为死于中毒。借助科技考古手段,团队对这个流传千余年的悬案进行了一场“迟来”的法医鉴定。


在对武帝的基因组进行疾病易感性分析后,研究团队发现武帝携带的6个疾病相关的风险基因位点中,其中之一就与中风相关。这一发现为解开武帝死因之谜提供了新的线索。


同时,对武帝遗骸股骨样本中33种微量元素进行分析后,研究团队发现,其体内砷(As)的含量显著高于同时期古代平民和贵族的平均水平。“人体中不同部位骨骼反映了生前不同阶段的元素累积过程,股骨反应的是十年以上的代谢过程,说明这些元素是在长期饮食中累积在骨骼中的。”研究团队介绍。


在武帝生活的魏晋南北朝时期,服用丹药是社会上层所崇尚的精神追求和生活方式,以求滋补长生。所谓丹药,其实是不同晶体形式的无机化合物,由多种矿物高温烧制提炼而成,在中国有两千多年的使用历史。《抱朴子内篇》等典籍均显示,不同丹药的成份虽有所差别,但雄黄与礬石是其中代表成份。


结合武帝遗骸中如砷、锑等重金属元素偏高和南北朝时期上流社会喜食丹药的生活习惯,武帝也有可能死于重金属元素慢性中毒及相关并发症。


关于北周武帝的考古研究不仅仅是一个古代皇帝的基因研究,它还揭示印证了古代人群的迁徙、混合和文化交融的历史。文少卿副教授表示:“从武帝研究出发,团队还将不断升级技术方案,继续检测不同时序和不同考古文化的古代样本,持续梳理匈奴、突厥、鲜卑、吐谷浑、粟特等三到九世纪北方古族的遗传谱系,重现唐朝大一统时代海纳百川的盛况,做全东亚人的遗传谱系树,建立现代人与古代人的联系,书写中华民族的‘大家谱。’”



高通量测序革新古基因组研究


2023年10月3日,备受瞩目的2022年诺贝尔生理学奖公布得奖人是瑞典遗传学家Svante Pääbo,这被称为迄今为止距离基因组学及高通量基因测序最近的诺奖。Pääbo建立了一个全新的科学学科古基因组学,完成了看似不可能的事情:采用高通量测序技术对当今人类已灭绝的近亲——尼安德特人的基因组进行测序。


高通量测序技术的出现促进了基因组学的快速发展,古基因组学也因此开始成为考古学、遗传学研究中的大热门。高通量测序技术能克服PCR存在的不足,其理论上能检测样本中所有DNA分子的信息,即使古DNA含量极低,高通量测序也能很有效地对其进行测序。不仅如此,通过搭建生物信息学分析流程,结合参考基因组,还能快速检测到样本中是否存在古DNA损伤,从而达到鉴别古DNA的目的。同样重要的一点是,随着技术的成熟,测序成本逐年降低,这也使得古基因组研究领域得以发展壮大。


文少卿副教授作为古基因组学研究专家,系统性地验证了华大智造DNBSEQ测序平台可完美应用于古DNA的高通量测序研究。2022年,文少卿副教授负责的生物考古团队运用MGISEQ-2000测序平台,对“长江口二号”中出水瓷瓶中的稻壳进行碳十四测年和古植物DNA研究,成功总结出古船的沉积过程和长江口水环境的变迁;同年11月,文少卿副教授研究团队联合厦门大学王传超教授团队的研究文章--Cultural and demic co-diffusion of Tubo Empire on Tibetan Plateau中,成功获取了距今1202-1380年的10例古代个体全基因组序列,揭秘吐蕃源流史,该研究同样运用华大智造MGISEQ-2000基因测序平台完成。


华大智造DNBSEQ测序平台在测序数据质量、文库复杂度、基因组覆盖均一性和种群遗传分析均表现优异,在其他重要关键参数上媲美古基因组学研究中常用的高通量测序平台,可作为大多数古基因组学研究的潜在选择。


华大智造始终致力于成为“生命科技核心工具缔造者”,华大智造高通量测序平台等生命科技核心设备将持续赋能生物考古学、分子考古学等古基因组学研究领域,助力用户和合作伙伴产出更多研究成果,为重现人类生动历史、呈现群体精彩故事贡献力量。


小知识:

北周武帝是谁?北周是南北朝时期由鲜卑人建立的朝代之一,其第三位皇帝北周武帝宇文邕(公元543至578年)在位期间,大举实行军政改革,并统一中国北方,促进民族融合,为隋唐的大一统奠定了基础。公元578年,亲征突厥途中,年仅36岁的北周武帝突发恶疾、英年早逝,对后续历史进程产生深远影响,其族源、外貌长相及死因一直备受学术界和民间爱好者的关注。(有知情人透露,很多影视剧里宇文玥的历史原型就是北周武帝宇文邕,跟兰陵王高长恭斗智斗勇的那个就是他。)


资料来源:新华社客户端、复旦大学科技考古研究院、澎湃新闻、 CellPress细胞科学等。

版权所有©2024 深圳华大智造科技股份有限公司 隐私政策法律声明
互联网药品信息服务资格证书[(粤)-非经营性-2024-0050] 粤ICP备16117185号粤公网安备号 44030802000485
本网站使用的cookies
我们希望使用必要的cookies来执行网站运行的基本功能。我们还希望设置分析cookies和广告cookies,通过评估您如何使用我们的网站来帮助我们进行改进。有关在本网站上使用cookies等详细信息,请参阅我们的隐私政策
仅接受必要的cookies接受全部cookies