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靠幾顆牙齒 就能知道古人類殘骸性別?

2020-08-26 14:14圖文來源: 科技日報

在考古學研究中,判斷人類遺骸的性別,對于了解古代社會結構具有重要意義。

而在那些遺骸中,牙齒可能是最容易找到并且保存最完好的部分。科學家發現,牙冠表面乳白而堅硬的牙釉質中,含有釉原蛋白,編碼這種蛋白的基因恰好位于性染色體——X染色體和Y染色體上,這將給考古研究帶來許多可能的發現。

近日,美國科學家就利用這種方法,來判定人類遺骸性別,結果似乎比之前使用的DNA方法和骨骼解剖技術更加可靠。其原理到底是怎樣的?國內有沒有相關的研究,又有哪些應用前景?

殘骸缺損、DNA高度降解 影響古人類殘骸性別鑒定

人類遺骸的考古研究對了解人類進化具有重要意義,可以揭示很多與人類進化和遷移有關的秘密。而判斷殘缺不全的遺骸性別,往往是工作的第一步。

在浙江,有兩座周圍建有壕溝的高規格大墓,其中一座墓主人是允常,他就是越王勾踐的父親;而另一座是位于安吉龍山107號的古墓葬——俗稱八畝墩,近年來考古人員歷經數年發掘、研究,在墓葬里發現了大量距今約2500年的綠松石飾物,但由于缺乏完整遺骸,墓主人身份依然成謎,甚至無法判斷其性別。

通常,判別古代人類殘骸性別最廣泛使用的方法,就是基于男性和女性骨骼的解剖差異,通過測量骨盆結構等某些骨骼特征來判斷。但這種方法只能適用于成年人,對于性別特征明顯、保存相對完好的骨骼,鑒定并不困難。

“男女骨骼有所不同,其中性別特征最明顯的是盆骨,其次為顱骨及下頜骨,有經驗的學者通過對顱骨和盆骨外部形態的觀察,鑒定成功率可達95%;再結合胸骨、鎖骨和肢骨的形態特征,以及人骨的測量,基本可以滿足鑒定需求。”中國科學院古脊椎動物與古人類研究所助理研究員饒慧蕓向科技日報記者介紹。

但兒童的骨骼沒有明顯的性別差異。更糟糕的是,考古發現的遺骸往往殘缺不全,在處理骨頭碎片時,這些解剖方法幾乎失靈,做判斷時完全無從下手。

“在實際工作中,古人類遺骸形態各異,運用這種傳統的方法進行鑒定存在一些局限。”饒慧蕓介紹說,一些骨骼的性別特征處在兩性變異范圍之間,或者由于骨骼上各項性別特征發育程度的不平衡,導致同一個體有些特征偏向男性,有些特征偏向女性,給鑒定帶來困難;未成年個體的性別特征則比較模糊,比鑒定成年個體要困難得多。有時,考古發掘出土的人骨遺骸因年代久遠、環境變遷、埋藏破壞等原因難以完好保存,零散破碎的骨骼,某些性別鑒定特征可能已經消失,用傳統的形態觀測方法,無法進行準確的性別鑒定。

此外,理論上古DNA分析可以解決上述傳統形態學鑒定方法的一些局限性問題,DNA分析相對能準確識別性別,對于形態特征不明顯的未成年個體和碎骨也可進行有效鑒定。雖然近年古DNA研究突飛猛進,但要使用聚合酶鏈反應(PCR)等技術,分析成本比較高,且從古老的遺骸和考古遺址中提取保存完好、未受污染的DNA也并非易事。

古人類遺骸往往由于年代久遠,保存環境千差萬別,樣本的DNA已高度降解,其片段較短,含量極低,這也會影響其作為性別指標的可靠性。此外,樣品在埋藏、獲取和實驗過程中,又很容易受到外源性DNA的污染,尤其是一些現代無關個體的污染通過PCR擴增有效放大,也會對DNA鑒定結果有一定影響。

最易找到且保存完好 牙釉蛋白可解開性別之謎

“由于人體的遺傳物質除22對常染色體外,還包括一對決定性別的性染色體,男性為XY,女性為XX。利用分子雜交技術和聚合酶鏈式反應技術等,可檢測人類遺骸中性染色體特異性的DNA標記物,以確定性別。”饒慧蕓說。

饒慧蕓解釋道,在古人類遺骸中,牙齒因其堅硬和耐腐蝕,往往是最容易找到且保存最完好的部分之一。牙釉質中含有釉原蛋白,編碼這種蛋白的基因恰好位于性染色體——X染色體和Y染色體上。性染色體為XX的女性,牙齒只有X型釉原蛋白;性染色體為XY的男性,則同時擁有X型和Y型釉原蛋白。通過具有性別差異的釉原蛋白基因的檢測,可以在DNA水平鑒別遺骸的男女性別。釉原蛋白是釉質發育過程中最為豐富的蛋白成分,在釉質礦化的第一階段占釉基質的60%—90%。

據此,科學家開發出一種用牙齒判定遺骸性別的方法:通過高靈敏度的質譜檢測,能夠檢測X型和Y型釉原蛋白的含量,由此能夠判斷,具有Y型釉原蛋白的牙齒為男性,反之亦然。

美國加州大學戴維斯分校的科學家日前測試了一種根據從牙釉質中提取的蛋白質來確定人類遺骸性別的新方法。在博士后研究員塔米·布奧納瑟拉的帶領下,研究小組對從加州蘇諾附近的兩個祖先歐隆族村莊出土的遺骸展開研究。

基于對55具300至2300年前的美洲原住民遺骸的研究,科學家們從牙釉質中提取出了蛋白,而不是通過分類學或DNA展開研究。研究小組通過研究組成這種蛋白質的20個氨基酸序列,展開逆向工作來確定產生這種蛋白質的DNA編碼,進而確定牙齒主人的性別。

“這種新方法比解剖學或DNA分析更可靠,后者只在一半的研究案例中有效。此外,這種蛋白質法也適用于兒童遺體。”塔米·布奧納瑟拉說。

延伸閱讀

牙釉蛋白基因組信息與動物與人類進化有關

塔米·布奧納瑟拉團隊的研究并非首創。近10年來,這項技術在考古學、人類學、法醫學和動物遺傳研究等領域正逐漸得到深入推廣和應用。

河北醫科大學法醫學系省級法醫學重點實驗室李淑瑾教授帶領的團隊,在焦磷酸測序分析短片段牙釉質蛋白基因進行性別鑒定領域已深耕多年。

他們應用blast軟件,設計引物,擴增基因片段序列,應用焦磷酸測序技術分析擴增序列,進行性別鑒定,檢測100份已知性別的DNA樣本,結果均正確無誤,檢測最低DNA模板量為0.5納克,具有較好的人類種屬特異性。在高度降解DNA分析中,也得到清晰的分型結果,在法醫學性別鑒定中有較好的應用價值。

正是由于男女基因上的差異,其表達的釉原蛋白也分為X型和Y型,氨基酸序列上具有差異,這種蛋白質組學方法,其實是通過從牙釉質中提取檢測釉原蛋白的不同亞型的特異性肽段,來判定遺骸男女性別。

“蛋白質是由DNA轉錄翻譯而來,其中也蘊含豐富的遺傳演化等信息。從牙釉質提取的蛋白質組同樣可應用于種屬鑒定、系統發育和古病理研究等。”饒慧蕓介紹,牙釉質是人體中最硬的組織,在古人類遺址中保存較好,其主要成分是羥磷灰石晶體。與晶體結合的蛋白質,尤其是晶體內蛋白質處于相對封閉的體系中,比在牙本質和骨骼中更利于保存,目前報道至少可保存第四紀冰川早期早更新世以來的動物牙齒,并已用于研究約177萬年前的史蒂芬犀和約190萬年前巨猿的系統進化史。

也有學者通過釉原蛋白基因的定量分析,探討其與疾病的關系,如釉質發育不全等。另外,蛋白定量研究表明,7300年前至今的個體,其釉質中標識性別差異蛋白的定量信號并沒有太大變化,這也從另一方面驗證了牙齒能更好地保存。(記者 趙漢斌)

作者:趙漢斌 責任編輯:董夢穎

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