使我们成为人类的基因变异是什么时候出现的

对我们的近亲尼安德特人和丹尼索瓦人基因组的研究开辟了新的研究路径，可以拓宽我们对智人进化史的理解。巴塞罗那大学(University of Barcelona)领导的一项研究估计了一些体现我们物种特征的基因变异出现的时间。它通过分析在现代人类群体中非常频繁的突变来做到这一点，但在这些其他古人类物种中却没有。

研究结果显示了两个突变积累的时刻:一个大约在4万年前，与智人数量的增长和他们离开非洲有关;另一个更古老的，在10万多年前，与非洲智人类型最多样化的时期有关。

“对人类历史的深入了解正在迅速扩大。然而，很难确定区分我们与其他人类物种的基因变异是何时出现的。在这项研究中，我们将物种特异性变异置于时间轴上。我们已经发现了这些变异是如何随着时间的推移而积累的，反映了大约10万年前智人与其他人类物种之间的分歧点等事件，”这篇文章的第一作者亚历杭德罗Andirkó说，这是他在布法罗大学的博士论文的一部分。

该研究由ICREA普通语言学研究教授、UB复杂系统研究所成员Cedric Boeckx领导，包括UB研究员Juan Moriano、米兰大学和欧洲肿瘤研究所专家Alessandro Vitriolo和Giuseppe Testa，以及维也纳大学研究员Martin Kuhlwilm参与。

行为和面部相关变异的优势  

研究结果还显示了不同进化时期的差异。具体来说，他们强调了与行为和面部结构相关的基因变异占主导地位——这是我们物种与其他人类物种区别的关键特征——30多万年前，这一日期与现有的化石和考古证据相吻合。Andirkó网站指出:“我们发现了一系列影响面部进化的基因变异，并将其确定在30万至50万年前，这一时期就在我们物种最早的化石确定年代之前，比如在摩洛哥杰贝尔伊洛德考古遗址发现的化石。”

研究人员还分析了与大脑有关的变异，大脑是最能帮助解释与智人有关的丰富行为库的关键特征的器官。具体来说，他们确定了在当今人类身上进行的医学研究中与小脑、胼胝体和其他结构的体积有关的变体的日期。“我们发现，脑组织在不同的历史时期都有特定的基因组表达谱;也就是说，与神经发育相关的某些基因在特定时间表达更高，”研究人员说。

支持了马赛克性质的进化智人  

这些结果补充了一个在进化人类学中占主导地位的观点:人类物种的历史不是线性的，而是我们进化树的不同分支共存并经常交叉。“过去人类多样性的广度让人类学家感到惊讶。即使在智人有一些化石，比如我之前提到的来自杰贝尔伊洛德的化石，因为它们的特征，被认为属于另一个物种。这就是为什么我们说人类经历了马赛克式的进化。”

“我们的研究结果，”研究人员继续说，“提供了一幅关于我们的基因是如何变化的图画，这符合这一观点，因为我们没有发现依赖于一个或几个关键突变的进化变化的证据，”他说。

机器学习技术的应用  

研究中使用的方法是基于牛津大学研究人员开发的变异年龄谱系估计方法。一旦他们有了这个估计，他们就应用机器学习工具来预测哪些基因在特定的时间窗口中变化最大，以及这些基因可能影响哪些组织。具体来说，他们使用了一种深度学习工具ExPecto，它使用卷积网络(一种计算模型)从DNA序列预测基因表达水平和功能。

“由于过去没有关于变异基因表达的数据，这一工具是一种解决迄今为止尚未解决的问题的方法。尽管机器学习预测的使用在临床世界中越来越普遍，但据我们所知，还没有人试图预测随着时间的推移，基因组变化的后果，”Andirkó指出。

围产期对人类大脑发育的重要性  

在之前的一项研究中，同一个UB团队和研究员Raül Gómez Buisán使用了来自古人类的基因组信息。在那项研究中，他们分析了基因组沙漠，即我们物种基因组中没有尼安德特人或丹尼索瓦人基因片段的区域，而且这些区域在我们物种中受到了积极的压力:也就是说，它们积累了比中性进化预期更多的突变。研究人员研究了基因的表达——也就是不同功能的蛋白质编码——在整个大脑发育过程中，从产前到成年阶段，沙漠地区发现了这些基因，覆盖了16个大脑结构。结果显示，小脑、纹状体和丘脑的基因表达存在差异。胡安·莫里亚诺(Juan Moriano)说:“这些结果使人们关注到大脑结构在新皮质之外的相关性，而新皮质传统上一直主导着人类大脑进化的研究。”

此外，大脑结构最显著的差异出现在产前阶段。莫里亚诺总结说:“这些发现为一种特定物种的大脑发育轨迹的假说提供了新的证据，这种轨迹发生在围产期阶段——从新生儿生命的22周到前四周结束这段时间——这将导致现代人的头部形状更圆，而尼安德特人的头部形状更长。”