[论文解读] Genome-wide Scan of Archaic Hominin Introgressions in Eurasians Reveals Complex Admixture History

Ya Hu, Yi Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2014

Pleistocene-Era Hominins and Archaeology参考文献 26被引用 4

一句话总结

本研究提出了一种新颖的方法，无需依赖古人类参考基因组，即可检测欧亚大陆基因组中的古老智人基因渗入现象，利用古人类特异性突变作为标记。该方法识别出尼安德特人（占60.3%）以及两个未知的古人类谱系（分化时间分别约为85.9万年和346.4万年前）为基因渗入的来源，揭示古人类DNA占欧亚人群基因组的2.4%，并指向智人之间复杂的杂交历史。

ABSTRACT

Introgressions from Neanderthals and Denisovans were detected in modern humans. Introgressions from other archaic hominins were also implicated, however, identification of which poses a great technical challenge. Here, we introduced an approach in identifying introgressions from all possible archaic hominins in Eurasian genomes, without referring to archaic hominin sequences. We focused on mutations emerged in archaic hominins after their divergence from modern humans (denoted as archaic-specific mutations), and identified introgressive segments which showed significant enrichment of archaic-specific mutations over the rest of the genome. Furthermore, boundaries of introgressions were identified using a dynamic programming approach to partition whole genome into segments which contained different levels of archaic-specific mutations. We found that detected introgressions shared more archaic-specific mutations with Altai Neanderthal than they shared with Denisovan, and 60.3% of archaic hominin introgressions were from Neanderthals. Furthermore, we detected more introgressions from two unknown archaic hominins whom diverged with modern humans approximately 859 and 3,464 thousand years ago. The latter unknown archaic hominin contributed to the genomes of the common ancestors of modern humans and Neanderthals. In total, archaic hominin introgressions comprised 2.4% of Eurasian genomes. Above results suggested a complex admixture history among hominins. The proposed approach could also facilitate admixture research across species.

研究动机与目标

• 在不依赖古人类参考序列的前提下，检测欧亚大陆基因组中的古人类基因渗入现象。
• 识别富含古人类特异性突变（即在现代人类分化后出现的突变）的渗入片段。
• 估算欧亚人群基因组中古人类DNA的比例，并推断多个古人类谱系的进化历史。
• 开发一种可应用于跨物种杂交研究的方法，利用突变模式进行分析。

提出的方法

• 该方法识别古人类特异性突变——即在古人类谱系与现代人类分化后发生的突变。
• 在基因组中扫描突变密度显著高于基因组其他区域的片段。
• 使用动态规划算法将基因组划分为不同古人类特异性突变密度的区域。
• 通过检测突变密度的变化趋势来推断基因渗入的边界，从而精确定位渗入区域。
• 比较检测到的片段与基因组其余部分的突变组成，评估其富集程度。
• 该方法无需直接使用古人类基因组序列，而是依赖于古人类谱系独有的突变模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 欧亚大陆基因组中有多大比例源自古人类基因渗入？哪些古人类谱系作出了贡献？
• RQ2 如何在不使用古人类参考序列的情况下识别渗入片段？
• RQ3 哪一种古人类谱系对现代欧亚人群基因组的贡献最大？
• RQ4 除了尼安德特人和丹尼索瓦人之外，是否存在其他多个古人类谱系对现代人类祖先有贡献？
• RQ5 未知古人类谱系与现代人类及尼安德特人的进化时间与亲缘关系如何？

主要发现

• 尼安德特人基因渗入占欧亚人群所有检测到的古人类基因渗入事件的60.3%。
• 检测到的渗入片段与阿尔泰山脉尼安德特人基因组相比，拥有更多古人类特异性突变，表明其与阿尔泰山脉谱系的遗传关系更近。
• 两个未知的古人类谱系对欧亚人群祖先有贡献，其与现代人类的分化时间分别约为85.9万年和346.4万年前。
• 分化时间约为346.4万年前的谱系，贡献于现代人类与尼安德特人共同祖先的形成。
• 古人类基因渗入事件共同占欧亚人群基因组的2.4%。
• 所提出的方法成功在无需直接使用古人类基因组序列的情况下识别出基因渗入事件，为跨物种杂交研究提供了更广泛的应用潜力。