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靠几颗牙齿就能知道古人类残骸性别?

2020-08-26 09:21:06 整理发布   转载来源:科技日报  

在考古学研究中,判断人类遗骸的性别,对于了解古代社会结构具有重要意义。 而在那些遗骸中,牙齿可能是最容易找到并且保存最完好的部分...《靠几颗牙齿就能知道古人类残骸性别?

在考古学研究中,判断人类遗骸的性别,对于了解古代社会结构具有重要意义。

而在那些遗骸中,牙齿可能是最容易找到并且保存最完好的部分。科学家发现,牙冠表面乳白而坚硬的牙釉质中,含有釉原蛋白,编码这种蛋白的基因恰好位于性染色体——X染色体和Y染色体上,这将给考古研究带来许多可能的发现。

近日,美国科学家就利用这种方法,来判定人类遗骸性别,结果似乎比之前使用的DNA方法和骨骼解剖技术更加可靠。其原理到底是怎样的?国内有没有相关的研究,又有哪些应用前景?

残骸缺损、DNA高度降解 影响古人类残骸性别鉴定

人类遗骸的考古研究对了解人类进化具有重要意义,可以揭示很多与人类进化和迁移有关的秘密。而判断残缺不全的遗骸性别,往往是工作的第一步。

在浙江,有两座周围建有壕沟的高规格大墓,其中一座墓主人是允常,他就是越王勾践的父亲;而另一座是位于安吉龙山107号的古墓葬——俗称八亩墩,近年来考古人员历经数年发掘、研究,在墓葬里发现了大量距今约2500年的绿松石饰物,但由于缺乏完整遗骸,墓主人身份依然成谜,甚至无法判断其性别。

通常,判别古代人类残骸性别最广泛使用的方法,就是基于男性和女性骨骼的解剖差异,通过测量骨盆结构等某些骨骼特征来判断。但这种方法只能适用于成年人,对于性别特征明显、保存相对完好的骨骼,鉴定并不困难。

“男女骨骼有所不同,其中性别特征最明显的是盆骨,其次为颅骨及下颌骨,有经验的学者通过对颅骨和盆骨外部形态的观察,鉴定成功率可达95%;再结合胸骨、锁骨和肢骨的形态特征,以及人骨的测量,基本可以满足鉴定需求。”中国科学院古脊椎动物与古人类研究所助理研究员饶慧芸向科技日报记者介绍。

但儿童的骨骼没有明显的性别差异。更糟糕的是,考古发现的遗骸往往残缺不全,在处理骨头碎片时,这些解剖方法几乎失灵,做判断时完全无从下手。

“在实际工作中,古人类遗骸形态各异,运用这种传统的方法进行鉴定存在一些局限。”饶慧芸介绍说,一些骨骼的性别特征处在两性变异范围之间,或者由于骨骼上各项性别特征发育程度的不平衡,导致同一个体有些特征偏向男性,有些特征偏向女性,给鉴定带来困难;未成年个体的性别特征则比较模糊,比鉴定成年个体要困难得多。有时,考古发掘出土的人骨遗骸因年代久远、环境变迁、埋藏破坏等原因难以完好保存,零散破碎的骨骼,某些性别鉴定特征可能已经消失,用传统的形态观测方法,无法进行准确的性别鉴定。

此外,理论上古DNA分析可以解决上述传统形态学鉴定方法的一些局限性问题,DNA分析相对能准确识别性别,对于形态特征不明显的未成年个体和碎骨也可进行有效鉴定。虽然近年古DNA研究突飞猛进,但要使用聚合酶链反应(PCR)等技术,分析成本比较高,且从古老的遗骸和考古遗址中提取保存完好、未受污染的DNA也并非易事。

古人类遗骸往往由于年代久远,保存环境千差万别,样本的DNA已高度降解,其片段较短,含量极低,这也会影响其作为性别指标的可靠性。此外,样品在埋藏、获取和实验过程中,又很容易受到外源性DNA的污染,尤其是一些现代无关个体的污染通过PCR扩增有效放大,也会对DNA鉴定结果有一定影响。

最易找到且保存完好 牙釉蛋白可解开性别之谜

“由于人体的遗传物质除22对常染色体外,还包括一对决定性别的性染色体,男性为XY,女性为XX。利用分子杂交技术和聚合酶链式反应技术等,可检测人类遗骸中性染色体特异性的DNA标记物,以确定性别。”饶慧芸说。

饶慧芸解释道,在古人类遗骸中,牙齿因其坚硬和耐腐蚀,往往是最容易找到且保存最完好的部分之一。牙釉质中含有釉原蛋白,编码这种蛋白的基因恰好位于性染色体——X染色体和Y染色体上。性染色体为XX的女性,牙齿只有X型釉原蛋白;性染色体为XY的男性,则同时拥有X型和Y型釉原蛋白。通过具有性别差异的釉原蛋白基因的检测,可以在DNA水平鉴别遗骸的男女性别。釉原蛋白是釉质发育过程中最为丰富的蛋白成分,在釉质矿化的第一阶段占釉基质的60%—90%。

据此,科学家开发出一种用牙齿判定遗骸性别的方法:通过高灵敏度的质谱检测,能够检测X型和Y型釉原蛋白的含量,由此能够判断,具有Y型釉原蛋白的牙齿为男性,反之亦然。

美国加州大学戴维斯分校的科学家日前测试了一种根据从牙釉质中提取的蛋白质来确定人类遗骸性别的新方法。在博士后研究员塔米·布奥纳瑟拉的带领下,研究小组对从加州苏诺附近的两个祖先欧隆族村庄出土的遗骸展开研究。

基于对55具300至2300年前的美洲原住民遗骸的研究,科学家们从牙釉质中提取出了蛋白,而不是通过分类学或DNA展开研究。研究小组通过研究组成这种蛋白质的20个氨基酸序列,展开逆向工作来确定产生这种蛋白质的DNA编码,进而确定牙齿主人的性别。

“这种新方法比解剖学或DNA分析更可靠,后者只在一半的研究案例中有效。此外,这种蛋白质法也适用于儿童遗体。”塔米·布奥纳瑟拉说。

延伸阅读

牙釉蛋白基因组信息与动物与人类进化有关

塔米·布奥纳瑟拉团队的研究并非首创。近10年来,这项技术在考古学、人类学、法医学和动物遗传研究等领域正逐渐得到深入推广和应用。

河北医科大学法医学系省级法医学重点实验室李淑瑾教授带领的团队,在焦磷酸测序分析短片段牙釉质蛋白基因进行性别鉴定领域已深耕多年。

他们应用blast软件,设计引物,扩增基因片段序列,应用焦磷酸测序技术分析扩增序列,进行性别鉴定,检测100份已知性别的DNA样本,结果均正确无误,检测最低DNA模板量为0.5纳克,具有较好的人类种属特异性。在高度降解DNA分析中,也得到清晰的分型结果,在法医学性别鉴定中有较好的应用价值。

正是由于男女基因上的差异,其表达的釉原蛋白也分为X型和Y型,氨基酸序列上具有差异,这种蛋白质组学方法,其实是通过从牙釉质中提取检测釉原蛋白的不同亚型的特异性肽段,来判定遗骸男女性别。

“蛋白质是由DNA转录翻译而来,其中也蕴含丰富的遗传演化等信息。从牙釉质提取的蛋白质组同样可应用于种属鉴定、系统发育和古病理研究等。”饶慧芸介绍,牙釉质是人体中最硬的组织,在古人类遗址中保存较好,其主要成分是羟磷灰石晶体。与晶体结合的蛋白质,尤其是晶体内蛋白质处于相对封闭的体系中,比在牙本质和骨骼中更利于保存,目前报道至少可保存第四纪冰川早期早更新世以来的动物牙齿,并已用于研究约177万年前的史蒂芬犀和约190万年前巨猿的系统进化史。

也有学者通过釉原蛋白基因的定量分析,探讨其与疾病的关系,如釉质发育不全等。另外,蛋白定量研究表明,7300年前至今的个体,其釉质中标识性别差异蛋白的定量信号并没有太大变化,这也从另一方面验证了牙齿能更好地保存。


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