青藏高原现代人类旧石器时代殖民化和新石器时代扩张的遗传证据

文/赵祯

编辑/赵祯

前言

藏族生活在世界上海拔最高的高原上，目前人口规模约为5万，其中大部分生活在海拔3米以上。因此，青藏高原是人类人口历史文化和生物学研究的显著地区。

然而，青藏高原殖民的时间顺序仍然是人类史前史上一个悬而未决的问题。

为了重建青藏高原现代人类的史前殖民和人口历史，我们系统地对整个青藏高原地区500个地理人群的6，109个藏族个体进行了抽样，并分析了父系和母系谱系的系统地理模式以及全基因组单核苷酸多态性标记在藏族人口中。

我们发现，现代人类在青藏高原有两次截然不同的史前迁徙。第一次迁徙的标志是大约50万年前的古代西藏遗传特征，表明现代人类对青藏高原的最初迁徙发生在旧石器时代晚期，而不是新石器时代。

我们还发现了藏族和汉族人之间相对年轻共享Y染色体和线粒体DNA单倍型的证据，这表明新石器时代早期的第二波迁徙。

总的来说，遗传数据表明，自旧石器时代早期青藏高原最初殖民以来，藏族人已经适应了高海拔环境，在最后一次冰期达到顶峰之前，随后人口迅速扩张，恰逢新石器时代早期高原上农业和牦牛畜牧业的建立。

介绍

青藏高原平均海拔4多米，是高海拔地区严重缺氧，是人类定居最极端的环境之一。人类不得不发展生理适应能力来应对高海拔地区的极端环境。

目前，约有000万土著藏族人生活在高原上，很好地适应了这种高海拔缺氧环境。研究表明，由于自然选择，藏人在利用还原的氧气方面获得了更好的表现.

然而，现代藏人的祖先何时以及如何首次定居青藏高原并开始永久居住在高海拔地区，其年表一直存在大量争议。

尽管存在争议，但这种殖民化的时机对于揭示与青藏高原早期人口有关的人类群体的自然选择特征以及描述遗传适应高海拔缺氧的机制和历史至关新的。

青藏高原开垦的确切时间一直存在争议。对整个地区旧石器时代晚期和新石器时代遗址的考古调查表明，最早的人类觅食可能始于大约40-30 ka。

最初的居民很可能是季节性的狩猎采集群体，他们生活在青藏高原相对低海拔地区，因为高海拔的永久占领似乎直到农业和畜牧经济的出现才开始，大约8.2-6卡。

目前的考古数据表明，古代对高原的最初占领，随后在不同时间和不同地方的多次迁徙可能创造了一个复杂的马赛克人口历史。

然而，人口史的考古推断主要依赖于有限的文物，青藏高原史前殖民的年代仍不清楚。

结果

藏族人群Y染色体多样性

根据目前人类Y染色体的系统时尚，我们确定了来自2个种群的354，41名藏族男性的Y染色体单倍群。藏族的大多数父系谱系是东亚特有的谱系。

其中，D-M174出现频率最高，其次是O-M175。藏族中另一个相对罕见的谱系是N-M231，其大多数亚谱系是N1*-LLY22G。N-M231也是在欧亚大陆广泛分布的古老谱系。

除了这三个主要的单倍群，藏族人还拥有其他几个罕见的谱系，如C3-M130，R-M207，Q，T，K-M，F2和J，它们发生在非常低的频率。

一般而言，在藏族人群中，Y染色体单倍群的分布相对均匀，未观察到明显的亚结构。

这幅地图显示了现代藏人今天居住的地理区域以及本研究的采样地点。标有杨韶/马家窑的红色区域是青藏高原附近的新石器时代遗址。

一个位置编号对应于地图上的位置。b特定县人口的高度和地理坐标数据大致取自县行政中心所在的位置。

D-M174代表了东亚大陆的一个新的谱系，因为它在藏族和国外人中普遍存在，但在大多数其他欧亚人群中很少或不存在，包括汉族人。

D-M174是古代Y染色体大单倍群DE的一个分支，由M1或“YAP”制造商定义，可追溯到65 ka。藏人和国外人之间存在深刻的D-M2差异M15。

D-M174亚系在藏族中的分布如图所示：D3a-P47是D-M174下的藏族特异亚单倍群，是最主要的单倍群，占藏族D-M55谱系的8.174%。

藏族线粒体DNA多样性

由于Y染色体数据仅代表父系谱系，因此使用基因分型和测序，我们确定了青藏高原6个种群中109，41个个体的mtDNA单倍群。

与Y染色体单倍群的概况类似，藏族的大多数母系谱系也是东亚创始谱系。

M9a是最初由Kong， Yao等人定义的谱系，是藏族最普遍的母系谱系，在高原内地理区域的总体频率为22.48%，范围为12.26%至29.24%。

该频率与先前在两项样本量相对较小的研究中报告的频率相似先前的研究表明，M9a起源于东南亚，东亚有内陆冰川后扩散.

M9a谱系可进一步分为M9a1a和M9a1b1两个亚单倍群，两者都表现出星状系统时尚，年代分别为7.4±1.4 ka和9.5 ± 2.5 ka。

来自全基因组常染色体标记的数据

来自我们全基因组常染色体数据的其他证据也支持对青藏高原的古老占领。

我们对171个人群的317，20个常见SNP进行了全基因组主成分分析，包括我们之前对藏族人的数据，以及来自HGDP和HapMap Phase III数据库的其他亚洲人群的数据。

具有代表性的东亚人群中的PCA表明藏人群体在遗传上是不同的，这意味着藏人与其他东亚人群之间相对长期的遗传居家。

在Y染色体和mtDNA数据的PCA图中也观察到类似的遗传联系模式。藏族和汉族人口之间相对密切的遗传联系可能是由于新石器时代的汉族农业者扩展到青藏高原的结果。

基于使用全基因组SNP对FST的估计，藏族和汉族之间的差异时间为12.6 ka，比藏族特有的Y染色体和mtDNA单倍群的估计年龄年轻得多，表明旧石器时代的藏族人和新石器时代的汉族农民之间存在广泛的种群相互作用。

藏族人群的遗传差异

鉴于现代人类对青藏高原的早期殖民和占领，应该可以预料到当今藏族人口之间存在一定程度的遗传差异，并且在西藏人口之间计算的遗传距离中确实观察到了这一点。

此外，我们检测到Y染色体和mtDNA单倍群数据的遗传距离与地理距离之间存在显著相关性，与青藏高原的古代占领一致，表明青藏高原内的主要迁徙模式符合距离居家模型。

对于Y染色体数据，当考虑所有父系单倍群时，未检测到相关性。

这可能是由于两种史前迁徙对现代藏族人口父系的不同影响，反映在两个主要的Y染色体单倍群D-M174和O3a3c1-M117上。我们还测试了遗传多样性与海拔之间的相关性，未发现显著联系。

讨论

西藏Y染色体和mtDNA单倍群的起源

为了重建青藏高原现代人类聚居的人口历史和年代，我们系统地筛选了藏族人群的父系和母系谱系。我们在藏族人群中检测到两个主要的Y染色体和四个主要的mtDNA单倍群。

藏族的父系和母系单倍群中的大多数是东亚人的创始谱系，其中许多是藏族和汉族人共有的.

我们没有观察到来自中亚和南亚的藏人中的Y染色体单倍群，尽管青藏高原位于这两个地区附近，这表明喜马拉雅山是人类迁徙的天然屏障，正如其他人之前所建议的那样。

C3-M130是蒙古族人口中一个主要的创始单倍群，在藏族中发生的频率非常低;这些谱系大多在拉萨地区发现。C3-M130在北方汉族和南方汉族的发生率也相对较高;

因此，很难检验西藏C3-M130谱系是由新石器时代的汉人引入的，还是已知的蒙古人在1200年代和1300年代入侵西藏。

由于C3-M130在藏族人中非常罕见，因此，蒙古人的入侵似乎对藏人没有太大的影响。

对于线粒体单倍群，我们在藏族中检测到其他单倍群的频率。这些单倍群主要存在于欧亚大陆西部、北亚和/或国外种群中，但在其他东亚人群中不存在。

U2、U7和T先前在南亚和北亚mtDNA库中报告过。发现这些罕见的谱系零星分布在整个高原，在首都拉萨的发病率相对较高。

单倍群U起源于欧亚大陆西部，发生在大多数中亚人群中，除了U2和U7，它们首先在东北部和中国外部落种群中发现。

除了U和T之外，其他罕见的谱系最初是在国外东北部发现的和中国外部落人口。

藏族人群中这些罕见的母系谱系表明，可能存在来自中亚和南亚的零星母系基因流动，以及青藏高原复杂的母系遗传景观。

青藏高原现代人类的旧石器时代殖民

藏族人群中大多数Y染色体和mtDNA谱系的年代为13-40 ka，反映了藏族谱系的古老性。

特别是，我们检测到西藏特定的Y染色体和线粒体谱系，其年代为19-28 ka，这个时间范围属于旧石器时代晚期。

这种藏族特有的谱系的古代合并年龄是强有力的证据，证明青藏高原上的永久人类定居发生在旧石器时代晚期约30 ka。

人们普遍认为，在LGM期间，高原上的山脉和高地被冰盖覆盖。

因此，人们普遍认为，即使现代人类在旧石器时代晚期成功地定居在高原上，这些早期的定居者也未必能在LGM中幸存下来，而现在的藏人是定居在高原的冰川后离开的后裔。

然而，我們的基因數據提供了有力的證據，證明早期的定居者可能在LGM中倖存下來，並為現今西藏人口的形成做出了貢獻。