揭開人類演化的空白歷史
許惇偉／牛津大學生物化學博士，專長為分子遺傳學、微生物學、科普教育。曾任職牛津大學，目前任教於國立高雄師範大學生物科技系。
✤ 2006 年，帕波公布尼安德塔人基因體圖譜的千分之三，並在 2010 年完成尼安德塔人的完整基因圖譜。
✤ 古生物化石 DNA 面臨自然破損和微生物造成的研究困境，因此帕波從第一代 PCR 技術面世後便積極嘗試突破。
✤ 帕波的好奇心和最佳化技術的能力所帶來的成果不僅解答人類演化的問題，其中的分析技術也應用在往後的醫藥研究上。
2022 年諾貝爾生理或醫學獎獨頒予德國馬克斯．普朗克演化人類學研究所（Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology）教授帕波（Svante Pääbo），表彰他在「發現滅絕人種基因組以及人類演化」上的貢獻。這裡所說的「滅絕人種」包括學界戲稱近代最出名的德國人⸺尼安德塔人（Neanderthals），以及後來利用帕波發展的技術，自殘缺化石上定序分析發現的丹尼索瓦人（Denisovans）。 這一切成果幾乎是帕波這個充滿好奇心、從未放棄幼年興趣的科學家所推動而完成。
從千分之三開始
在 2006 年美國紐約冷泉港實驗室（Cold Spring Harbor Laboratory）的研討會上，帕波公開了他的團隊對尼安德塔人基因圖譜的部分解析，雖然在當時該結果只占了尼安德塔人整個基因體的千分之三，但已經引起在座專家們的驚嘆。隨後，帕波在靈光乍現的狀態下當眾宣布：團隊預計在兩年後完成尼安德塔人的完整基因圖譜，無疑地在古人類學研究中投下了震撼彈。在豪氣干雲的宣告之後，帕波接著充分發揮學術與管理的深厚底蘊，短時間內重整團隊積極往目標邁進。當時的他可能也沒想到，這樣的宣告竟催使他往諾貝爾獎肯定之路邁進。
人類演化一直是科學家很感興趣的問題，達爾文在寫完《物種起源》（On the Origin of Species）一書後，還曾撰寫《人類的由來與性擇》（The Descent of Man, and Selection in Relation to Sex）闡述他對人類演化的看法。雖然隨著考古技術與分子遺傳證據的發展，學界都認為非洲以外最早的現代智人（Homo sapiens）應該是十萬年前從非洲進入歐亞大陸，但卻無法解釋原本在歐亞大陸已經生活將近 40 萬年、骨骼構造與現代智人極為相似的尼安德塔人，為何在三萬年前完全消失。現代智人跟尼安德塔人共存在歐亞大陸的七萬年間，彼此有無生殖繁衍？與現代智人之間的生存競爭是否導致尼安德塔人滅絕？這些問題都需要更完整科學證據解釋，而帕波口中的尼安德塔人基因組就是回答這些問題最直接的科學證據。
當帕波宣布這項尼安德塔人基因組計畫時，人類完整基因圖譜已經面世六年，基因圖譜的分析技術看似已有相當基礎。然而，即使他在古生物基因組研究已經饒富盛名，但古生物基因組研究的難度與現存生物相比，在當時完全是另一個檔次。要如何在兩年內從千分之三走到百分之百，那是有如初次登月計畫般困難的任務。
▲尼安德塔人的頭骨。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／Luna04, CC BY-SA 3.0, Wikipedia Commons
侏羅紀公園的迷思
看過電影《侏羅紀公園》（Jurassic Park）的人可能會有深刻的印象，認為只要古老生物的 DNA 保存得當，即使樣本僅有微量依然可以利用聚合酶連鎖反應（polymerase chain reaction, PCR）等技術擴增並定序，拿到該生物完整的基因組。但在古老生物標本的 DNA 研究上，已經是大師級的帕波心裡很清楚，現實完全不是電影那回事。因為即使尼安德塔人的化石或生物樣本保存得多良好，DNA 一旦存在超過十萬年便會因自然原因而破損到無法使用；再者，自然環境中的古老生物樣本 DNA 會因長年來混雜各種微生物而降解成微小片段，而這些微生物本身的 DNA 數量往往遠大於原始樣本的 DNA 含量，因而造成定序研究尼安德塔人的頭骨的極大困擾。
換句話說，拼湊某生物基因組圖譜就好似做拼圖。如果含 3,000 張小拼圖片組成的一平方公尺海報是人類的基因圖譜，那尼安德塔人的一平方公尺海報，就好像面前有 1,000 萬張混雜著多種細菌與尼安德塔人的微小而殘破的拼圖片，但裡頭只有十萬張碎片是拼湊出尼安德塔人海報所需。如何克服技術上的問題，只取出需要的尼安德塔人部分去組成完整的拼圖，是完成該計畫的最大挑戰。
勇於追尋初衷
儘管最終帕波團隊在 2010 年才公布接近完整（60％）尼安德塔人基因圖譜，離當時兩年完成的豪語略有延遲，但依舊難能可貴，且他的成就絕非只是那幾年的努力結果。雖然出身於科學世家，帕波自述兒時的一次埃及旅遊後從此著迷於古埃及的歷史與文物，爾後靠著自學與爭取實習機會持續接觸古埃及研究，並持續被木乃伊類的古代歷史而吸引。
即使在後來面臨人生抉擇時選擇醫學本科，但因被學術研究熱誠召喚，大學畢業後便放棄臨床醫學訓練，轉而攻讀免疫醫學博士，這段期間內他仍未忘情古埃及研究，利用空檔完成了古埃及木乃伊 DNA 分析的工作。博士畢業那年，他的免疫學論文成果發表在頂尖的《細胞》（Cell）期刊；而作為純興趣探索的木乃伊研究則發表在《自然》（Nature）期刊。在自認為免疫研究領域不差他一個科學家的念頭下，這一次他沒太大猶豫，選擇古生物 DNA 研究作為終身學術志業。
充足的事先準備，積極嘗試最新技術
在帕波開始從事古老生物標本的遺傳物質分析時，美國生化學家、1993 年諾貝爾化學獎得主穆利斯（Kary Mullis）的第一代 PCR 技術在 1985 年面世，帕波深知該技術能用來擴增生物樣本裡含量極少的生物片段，便率先改良使用；接著他發現在萃取 DNA 時會面臨古老 DNA 品質低劣而稀少的問題，便主動聯絡當時極富盛名的 DNA 修復研究專家、2015 年諾貝爾化學獎得主林達爾（Tomas Lindahl），並且到他的實驗室學習；了解 DNA 遺傳演化研究中最頂尖的專家威爾遜（Allan Wilson）在美國加州柏克萊大學（University of California, Berkeley）任教後，他又積極聯絡威爾遜並到該處從事博士後研究。
為了大量而快速的定序基因圖譜，帕波主動引入次世代定序（next generation sequencing, NGS）技術及大量的生物資訊人才，並嚴謹地設定從事古生物 DNA 研究方法的分析標準。更因為他嚴格要求研究的精確度與再現性，建立了請獨立實驗室協助驗證成果的科學傳統。以上種種，都是他設定科學目標後，一步步穩紮穩打、上下求索的成果，也是他能集中火力在短短幾年完成尼安德塔人定序的底蘊。研究過程中，帕波在各個國家與博物館間行政協調稀有生物標本的研究使用、爭取研究經費的折衝、研究團隊的經營與管理等，都可以看到帕波堅持目標、綜觀全局、運籌帷幄的軌跡。
▲智人與已滅絕人種之間的進化和關係的系統發育樹。帕波推估現代智人與尼安德塔人的共同祖先約在 80 萬年前分家，而且發現尼安德塔人和丹尼索瓦人都曾經與現代智人的祖先通婚（基因交流）。圖片提供／《科學月刊》，圖片、資料來源／NobelPrize.org
尼安德塔人基因研究告訴我們什麼？
當尼安德塔人的基因圖譜愈趨完整，帕波推估現代智人與尼安德塔人的共同祖先約在 80 萬年前分家。而且證據也表明扣除某些非洲人，現代歐亞人中約有 1～4％ 的 DNA 衍生自尼安德塔人，這表示尼安德塔人曾經與現代智人的祖先通婚。其他科學家基於此結果更進一步地分析，發現到現今 50％ 歐洲人與 72％ 中國人帶有某個源自於尼安德塔人的特有基因變異⸺主要組織免疫相容複合體（major histocompatibility complex, MHC）基因。推測可能是因為尼安德塔人早於現代智人數十萬年進入歐亞生活，遺傳上演化出某些更適應歐亞氣候的基因，使得帶有此類 MHC 基因的混血後代在歐亞氣候環境生存時具有免疫優勢。
在尼安德塔人基因體圖譜完成之際，帕波因緣際會地得到西伯利亞南部某殘缺小片化石，利用他們研究尼安德塔人發展出來的技術分析後發現，該小指骨既不是現代智人，也不是尼安德塔人，而是另一種生活在 3～5 萬年前的全新人種，從而命名為丹尼索瓦人。基因證據也顯示，亞洲東南部某些部落的祖先曾經與丹尼索瓦人通婚。光靠 DNA 證據就從殘缺的化石中鑑定出新人種，說明了帕波所發展出的技術與知識體系已將考古人類學研究帶到全新境界。
當新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）肆虐全球時，帕波分析了數千名感染者，發現如果患者的 12 號染色體某片段不是尼安德塔人的基因型，則重症率會提高。這些研究證明了研究尼安德塔人基因組，不單只是滿足對於現代智人的祖先是否曾與尼安德塔人通婚這種好奇而已，我們更可以透過這些比對了解現代智人自身某些遺傳變異的來源，以及推估這些變異是否可以幫助我們適應不同環境。
今年帕波與合作者發表在《科學》（Science）期刊的文章提到，大約在 40～75 萬年前發生在現代智人祖先的 TKTL1 基因突變會造成一個胺基酸變異。該突變基因會讓腦前額葉更發達、認知能力更高，可推測後來現代智人在生存競爭上優於尼安德塔人，或許就是源自於此基因突變。
另一份最近發表在《自然》期刊的文章，美國與加拿大科學家分析了倫敦跟丹麥共八個墳場中的 206 個人類樣本，了解到從數百年前鼠疫所造成的黑死病中存活下來的人們，可能因為帶有的 ERAP2 基因屬於全表現型，使得巨噬細胞（macrophage）更能對抗鼠疫桿菌（Yersinia pestis）而增加了存活率。這個重要研究所利用的分析技術，依然是建立在帕波團隊所奠定的基準之上。
尼安德塔人基因體分析的重要性，不單在於人類演化研究上的獨特性，透過分析古生物基因體而發展出來的技術在醫藥研究領域也極度重要。綜觀帕波的學思歷程，他那不忘初衷的好奇心和設定目標後仔細發展優化相關技術的能力，而後精準地解決問題，甚至將結果延伸且達到實用目的的成就。作為第一個獲得諾貝爾獎肯定的演化生物學家，帕波當之無愧。
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本文轉載、修改自《科學月刊》2022 年 12 月
