科學通報 | 北京大學遇赫/國家自然博物館王婷聯(lián)合綜述古生物適應(yīng)與演化的調(diào)控機制研究進展

近日，北京大學遇赫研究員、國家自然博物館王婷助理研究員在《科學通報》發(fā)表了題為“表觀遺傳視角下的古生物適應(yīng)與演化”的綜述文章，系統(tǒng)梳理了古表觀遺傳學領(lǐng)域的研究進展。文章重點介紹了古代DNA甲基化、核小體定位等表觀遺傳信號的重建原理，總結(jié)了其在古人類形態(tài)演化、古動物生活史研究中的應(yīng)用，并對該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向進行了展望，為從基因表達調(diào)控層面理解古生物的適應(yīng)與演化提供了新的思路。

古基因組學技術(shù)使得研究者能夠直接獲取古代個體的DNA序列。然而，僅憑DNA序列仍難以解釋大量的表型差異。表觀遺傳作為連接基因型和表型的可逆調(diào)控層，通過塑造基因表達的時空差異影響了細胞命運和個體發(fā)育。古表觀遺傳學自2010年發(fā)展至今，為理解古生物演化過程中的表型差異提供了全新視角。

當前古表觀遺傳學中研究最成熟的信號是DNA甲基化和核小體定位。前者主要基于古DNA的脫氨損傷特征進行推斷，近年來又發(fā)展出單鏈建庫結(jié)合亞硫酸氫鹽測序的方法來進行單堿基分辨率的直接檢測；后者則利用古DNA片段長度和斷點分布的周期性，間接重建核小體排列信息。

圖1 利用C→T轉(zhuǎn)換比例重建古代DNA甲基化的過程示意圖（本圖修改自參考文獻Gokhman et al., 2014）

文章重點總結(jié)了現(xiàn)有研究在推斷古人類形態(tài)演化機制和判斷古動物生活史上的應(yīng)用。在古人類研究中，人們通過重建尼安德特人與丹尼索瓦人的全基因組甲基化圖譜并與現(xiàn)代人對比，識別出大量與骨骼發(fā)育相關(guān)的差異甲基化區(qū)域。其中，參與肢體發(fā)育的HOXD基因簇在古人類中呈現(xiàn)更高甲基化水平，可能與尼安德特人四肢短粗等形態(tài)特征有關(guān)。進一步的研究還通過甲基化變化預(yù)測出丹尼索瓦人具有面部延長、骨盆較寬、牙弓增大等形態(tài)特征，這些預(yù)測后來被化石發(fā)現(xiàn)所證實。此外，與顱面和喉部結(jié)構(gòu)發(fā)育相關(guān)的基因在現(xiàn)代人中表現(xiàn)出獨特的甲基化模式，為理解現(xiàn)代人面部形態(tài)與發(fā)聲結(jié)構(gòu)提供了新的證據(jù)。在古動物生活史研究中，有研究者基于現(xiàn)代表觀遺傳時鐘的原理，推測出古代個體的生理年齡，還有人初步嘗試利用機器學習從甲基化差異判定古馬的去勢狀態(tài)。這些信息可以幫助人們了解古代的畜群管理或社會習俗。可以說，古表觀遺傳學正在為動物考古學打開新的解釋空間。

文章也指出古表觀遺傳學面臨的諸多挑戰(zhàn)，并探討了潛在的解決方案。首先，針對古DNA降解導(dǎo)致的數(shù)據(jù)低質(zhì)量/低覆蓋度，在實驗層面可以采用超短片段回收優(yōu)化與單鏈建庫方法提高內(nèi)源DNA的回收率，在計算層面可以整合同來源多樣本信號來進行群體級甲基化重建。針對樣本稀缺導(dǎo)致的統(tǒng)計功效不足，在建模層面，面向低重復(fù)數(shù)據(jù)時可以引入貝葉斯層級模型與收縮估計策略，面向覆蓋不均的數(shù)據(jù)時可采用將深度信息直接納入貝葉斯回歸模型的思路，還可以通過生成模擬數(shù)據(jù)來評估假陽性率與差異檢出力。由于古DNA大多來源于骨骼和牙齒，許多組織或細胞類型特異的表觀遺傳變化難以獲取。隨著跨組織推斷方法的發(fā)展，研究者有望利用骨骼樣本中在不同組織間相對保守的甲基化信號，間接預(yù)測部分軟組織相關(guān)的基因表達調(diào)控模式。此外，研究者還在特殊保存體系下的古樣本中驗證了重建組蛋白修飾及染色質(zhì)構(gòu)象的可行性，拓寬了古表觀遺傳信號類型的局限。

最后，文章展望了古表觀遺傳學的發(fā)展前景。研究者可以通過環(huán)境響應(yīng)位點的甲基化模式變化，反推古代個體可能的環(huán)境暴露與生理狀態(tài)。此外，無需亞硫酸氫鹽轉(zhuǎn)換的第三代單分子測序技術(shù)的出現(xiàn)，如ONT和PacBio SMRT，也為未來直接讀取古DNA堿基修飾信息提供了潛在可能。隨著實驗技術(shù)和算法模型的不斷進步，古表觀遺傳學正逐步揭示古代生命的調(diào)控機制，為古生物適應(yīng)與演化研究提供了更加豐富立體的研究框架。

北京大學生命科學學院遇赫研究員為本文的通訊作者，國家自然博物館王婷助理研究員為本文的第一作者。該工作得到了北京市自然科學基金（5252005）、北京市科學技術(shù)研究院萌芽計劃（26CE-BGS-20）的支持。

文章信息

王婷，遇赫. 表觀遺傳視角下的古生物適應(yīng)與演化 . 科學通報, 2026. doi: 10.1360/CSB-2025-5786

《科學通報》是中國科學院主管、中國科學院和國家自然科學基金委員會共同主辦的綜合性中文學術(shù)期刊，致力于快速報道自然科學各學科基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究的最新研究動態(tài)、消息、進展, 點評研究動態(tài)和學科發(fā)展趨勢。

• 旬刊，每10天出版1期；

• 欄目：進展、評述、快訊、論文、觀點、科技前沿、科學訪談、亮點述評、悅讀科學等；

• 中國科學院文獻情報中心分區(qū)表綜合性大類1區(qū)TOP期刊；

• 中國科技期刊卓越行動計劃領(lǐng)軍期刊；

• 《中國科技論文與引文數(shù)據(jù)庫》和《中國科學引文數(shù)據(jù)庫》的源期刊，同時被EI、ESCI和Scopus等收錄；

• 期刊官網(wǎng)：http://csb.scichina.com.

轉(zhuǎn)載、投稿請留言

| 關(guān)注科學通報 | 了解科學前沿