Science：蛋白质组学揭秘晚更新世哈尔滨人颅骨属于丹尼索瓦人
2025-06-26 来源:本站 点击次数:210
丹尼索瓦人是主要通过基因组数据发现的古人类群体，主要分布在亚洲，但由于相关遗骸基本都为稀疏牙齿、骨头碎片、指骨和部分颅骨碎片等，缺乏完整的形态学特征，难以用来研究不同古人类群体的全貌。根据已有的研究推断，丹尼索瓦人在东亚地区分布更为广泛，且在这些地区确实已经出土了大量中晚更新世的古人类标本，其中徐家窑、哈尔滨出土的颅骨标本相对完整，形态学信息更加丰富，根据年龄、地理位置和古生物学特征判断，极有可能是丹尼索瓦人，但仍缺乏切实与直接的研究证据。
中国科学院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹团队与河北地质大学季强团队合作，基于质谱技术，对河北地质大学博物馆收藏的哈尔滨古人类头骨样本进行了深入的古蛋白质组学研究，该头骨的年代至少为14.6万年前。使用PEAKS® Online软件中de novo辅助的DB search、PTM和SPIDER分析，共发现了95种内源性蛋白质，122个氨基酸突变位点，结合系统发育分析共同揭示了该标本归属于丹尼索瓦人，而此前的研究将其划分为“Homo longi”新物种。近日，该研究成果已正式发表在SCIENCE杂志上，题为“The proteome of the late Middle Pleistocene Harbin individual”，填补了形态学和分子证据之间的空白，增强了我们对丹尼索瓦人的时空分布和进化历史的理解。
研究结果
内源性蛋白组鉴定
提取标本中的蛋白质，经质谱检测和PEAKS® Online分析，共鉴定出308,458个PSMs和20,455条肽[1]，然后基于肽段强度计算谷氨酰胺（Q）和天冬酰胺（N）的脱氨值，以此评估该个体中是否存在古蛋白质。结果有59个蛋白质同时具有可信的Q和N脱酰胺值，对这59个蛋白质进行聚类分析，以区分内源性蛋白质和污染蛋白质（Fig. 2A）。角蛋白和胰蛋白酶等8种蛋白质被视为污染物排除（Fig. 2A中的第1组）。其余51种蛋白质显示脱酰胺值升高（Q脱酰胺范围22.56-100%,N脱酰胺范围17.97-100%）（Fig. 2A中的第2/3/4组），被认为是真正的古蛋白质。此外，其他48个仅包含Q或N脱酰胺的蛋白质中有44个显示出可靠的Q/N脱酰胺值。因此，共检测到95个脱酰胺值显著升高的蛋白质，被认为属于哈尔滨个体的内源蛋白质组。这95个蛋白质的主要组成包括68.4%的基质蛋白和12.6%的非基质血浆蛋白（Fig. 2B），这与保存完好的骨骼标本中描述的相当[2]。
在14.6万年前的哈尔滨人颅骨中检索到的95种蛋白质和多达19,299条多肽（Fig. 1B），不仅增加了从可追溯到10万年以上的原始人中鉴定的蛋白质组库。与先前发表的古蛋白质组学数据相比，本研究鉴定的多肽数远远多于同时代Xiahe1下颌骨(>16万年前)、Xiahe2肋骨和Grotte du Renne骨碎片（Fig. 1B）。因此，本研究从哈尔滨古人类颅骨中构建了一个信息量很大的古人类蛋白质组库。
Fig. 1B The protein and peptide counts identified from five specimens
物种归属
为了在蛋白质组学层面确定哈尔滨个体的种群分配，作者统计了相较于现代人、尼安德特人、丹尼索瓦人、黑猩猩、大猩猩和猩猩的各自独有的，包含突变氨基酸的多肽数量。从95个内源性蛋白质组中筛选出122个单氨基酸突变位点（SAP），表明哈尔滨颅骨和丹尼索瓦人之间存在显著关联（Fig. 3）。
Fig. 3. The SAP assignments for the Harbin cranium
种群分配
随后，作者筛选了4个丹尼索瓦人特有的突变位点，比较了这四个位点分别在哈尔滨、夏河、澎湖和丹尼索瓦人标本中相对应的氨基酸。根据Table 1，可以确认哈尔滨个体颅骨的两个杂合子位置：COL18A1 G1033R和COL26A1 R196G，及一个纯合子COL4A3 R368H，均可以支持其属于丹尼索瓦人种群。
系统发育重建
为了确定哈尔滨颅骨的更具体的分类学归属，作者重建了这些内源性蛋白质的共有序列以进行系统发育分析。对于哈尔滨颅骨的每种内源蛋白，如果满足以下要求，则保留可靠的等位基因：PSM count ≥2、PSM ratio ≥10%、intensity ratio ≥10%[3]。用于系统发育分析的参考数据集是使用来自先前发表的高覆盖率基因组的翻译蛋白质序列构建的，包括丹尼索瓦 3、两个尼安德特人、一个早期现代人、现代人类个体和一只黑猩猩。这两个数据集的系统发育树与核基因组中普遍接受的初级拓扑高度一致，即智人是包含尼安德特人和丹尼索瓦人的分支的姐妹群。这与基于形态学的系统发育分析形成鲜明对比，后者表明哈尔滨属于智人分支的姐妹群，而不是尼安德特人。哈尔滨颅骨和丹尼索瓦人3形成一个高相关的单系群(Fig. 4)。这一结果与上述使用SAP的种群分配一致。
Fig. 4. Phylogenetic position of the Harbin cranium through Bayesian analysis (using the dataset with 64 pan-Africans).
文章小结
本研究首次将近乎完整的颅骨形态与丹尼索瓦人蛋白质组关联，为丹尼索瓦人提供了首个综合形态研究证据，解答了“丹尼索瓦人长什么样”的问题。但仍然需要更多中晚更新世化石的分子采样（尤其是古代DNA），以明确东亚丹尼索瓦人群体的分化、与其他古人类的互动及对现代亚洲人群的影响。
参考文献
[1] L. Xin, R. Qiao, X. Chen, H. Tran, S. Pan, S. Rabinoviz, H. Bian, X. He, B. Morse, B. Shan, M. Li, A streamlined platform for analyzing tera-scale DDA and DIA mass spectrometry data enables highly sensitive immunopeptidomics. Nat. Commun. 13, 3108 (2022). doi:10.1038/s41467-022-30867-7
[2] E. Cappellini, L. J. Jensen, D. Szklarczyk, A. Ginolhac, R. A. R. da Fonseca, T. W. Stafford Jr., S. R. Holen, M. J. Collins, L. Orlando, E. Willerslev, M. T. P. Gilbert, J. V. Olsen, Proteomic analysis of a pleistocene mammoth femur reveals more than one hundred ancient bone proteins. J. Proteome Res. 11, 917–926 (2012). doi:10.1021/pr200721u
[3] P. P. Madupe, C. Koenig, I. Patramanis, P. L. Rüther, N. Hlazo, M. Mackie, M. Tawane, J. Krueger, A. J. Taurozzi, G. Troché, J. Kibii, R. Pickering, M. R. Dickinson, Y. Sahle, D. Kgotleng, C. Musiba, F. Manthi, L. Bell, M. DuPlessis, C. Gilbert, B. Zipfel, L. F. K. Kuderna, E. Lizano, F. Welker, P. Kyriakidou, J. Cox, C. Mollereau, C. Tokarski, J. Blackburn, J. Ramos-Madrigal, T. Marques-Bonet, K. Penkman, C. Zanolli, L. Schroeder, F. Racimo, J. V. Olsen, R. R. Ackermann, E. Cappellini, Enamel proteins reveal biological sex and genetic variability in southern African Paranthropus. Science 388, 969–973 (2025). doi:10.1126/science.adt9539
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu9677
作为生物信息学的领军企业，BSI专注于蛋白质组学和生物药领域，通过机器学习和先进算法提供世界领先的质谱数据分析软件和蛋白质组学服务解决方案，以推进生物学研究和药物发现。我们通过基于AI的计算方案，为您提供对蛋白质组学、基因组学和医学的卓越洞见。旗下著名的PEAKS®️系列软件在全世界拥有数千家学术和工业用户，包括：PEAKS®️ Studio，PEAKS®️ Online，PEAKS®️ GlycanFinder, PEAKS®️ AB，DeepImmu®️ 免疫肽组发现服务和抗体综合表征服务等。
Fig.1A Map of geographic locations and the hominin specimens studied by palaeoproteomic analysis
中国科学院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹团队与河北地质大学季强团队合作，基于质谱技术，对河北地质大学博物馆收藏的哈尔滨古人类头骨样本进行了深入的古蛋白质组学研究，该头骨的年代至少为14.6万年前。使用PEAKS® Online软件中de novo辅助的DB search、PTM和SPIDER分析，共发现了95种内源性蛋白质，122个氨基酸突变位点，结合系统发育分析共同揭示了该标本归属于丹尼索瓦人，而此前的研究将其划分为“Homo longi”新物种。近日，该研究成果已正式发表在SCIENCE杂志上，题为“The proteome of the late Middle Pleistocene Harbin individual”，填补了形态学和分子证据之间的空白，增强了我们对丹尼索瓦人的时空分布和进化历史的理解。
研究结果
内源性蛋白组鉴定
提取标本中的蛋白质，经质谱检测和PEAKS® Online分析，共鉴定出308,458个PSMs和20,455条肽[1]，然后基于肽段强度计算谷氨酰胺（Q）和天冬酰胺（N）的脱氨值，以此评估该个体中是否存在古蛋白质。结果有59个蛋白质同时具有可信的Q和N脱酰胺值，对这59个蛋白质进行聚类分析，以区分内源性蛋白质和污染蛋白质（Fig. 2A）。角蛋白和胰蛋白酶等8种蛋白质被视为污染物排除（Fig. 2A中的第1组）。其余51种蛋白质显示脱酰胺值升高（Q脱酰胺范围22.56-100%,N脱酰胺范围17.97-100%）（Fig. 2A中的第2/3/4组），被认为是真正的古蛋白质。此外，其他48个仅包含Q或N脱酰胺的蛋白质中有44个显示出可靠的Q/N脱酰胺值。因此，共检测到95个脱酰胺值显著升高的蛋白质，被认为属于哈尔滨个体的内源蛋白质组。这95个蛋白质的主要组成包括68.4%的基质蛋白和12.6%的非基质血浆蛋白（Fig. 2B），这与保存完好的骨骼标本中描述的相当[2]。
在14.6万年前的哈尔滨人颅骨中检索到的95种蛋白质和多达19,299条多肽（Fig. 1B），不仅增加了从可追溯到10万年以上的原始人中鉴定的蛋白质组库。与先前发表的古蛋白质组学数据相比，本研究鉴定的多肽数远远多于同时代Xiahe1下颌骨(>16万年前)、Xiahe2肋骨和Grotte du Renne骨碎片（Fig. 1B）。因此，本研究从哈尔滨古人类颅骨中构建了一个信息量很大的古人类蛋白质组库。
Fig. 1B The protein and peptide counts identified from five specimens
Fig. 2. The proteomic profile of the Harbin cranium.
物种归属
为了在蛋白质组学层面确定哈尔滨个体的种群分配，作者统计了相较于现代人、尼安德特人、丹尼索瓦人、黑猩猩、大猩猩和猩猩的各自独有的，包含突变氨基酸的多肽数量。从95个内源性蛋白质组中筛选出122个单氨基酸突变位点（SAP），表明哈尔滨颅骨和丹尼索瓦人之间存在显著关联（Fig. 3）。
Fig. 3. The SAP assignments for the Harbin cranium
种群分配
随后，作者筛选了4个丹尼索瓦人特有的突变位点，比较了这四个位点分别在哈尔滨、夏河、澎湖和丹尼索瓦人标本中相对应的氨基酸。根据Table 1，可以确认哈尔滨个体颅骨的两个杂合子位置：COL18A1 G1033R和COL26A1 R196G，及一个纯合子COL4A3 R368H，均可以支持其属于丹尼索瓦人种群。
系统发育重建
为了确定哈尔滨颅骨的更具体的分类学归属，作者重建了这些内源性蛋白质的共有序列以进行系统发育分析。对于哈尔滨颅骨的每种内源蛋白，如果满足以下要求，则保留可靠的等位基因：PSM count ≥2、PSM ratio ≥10%、intensity ratio ≥10%[3]。用于系统发育分析的参考数据集是使用来自先前发表的高覆盖率基因组的翻译蛋白质序列构建的，包括丹尼索瓦 3、两个尼安德特人、一个早期现代人、现代人类个体和一只黑猩猩。这两个数据集的系统发育树与核基因组中普遍接受的初级拓扑高度一致，即智人是包含尼安德特人和丹尼索瓦人的分支的姐妹群。这与基于形态学的系统发育分析形成鲜明对比，后者表明哈尔滨属于智人分支的姐妹群，而不是尼安德特人。哈尔滨颅骨和丹尼索瓦人3形成一个高相关的单系群(Fig. 4)。这一结果与上述使用SAP的种群分配一致。
Fig. 4. Phylogenetic position of the Harbin cranium through Bayesian analysis (using the dataset with 64 pan-Africans).
本研究首次将近乎完整的颅骨形态与丹尼索瓦人蛋白质组关联，为丹尼索瓦人提供了首个综合形态研究证据，解答了“丹尼索瓦人长什么样”的问题。但仍然需要更多中晚更新世化石的分子采样（尤其是古代DNA），以明确东亚丹尼索瓦人群体的分化、与其他古人类的互动及对现代亚洲人群的影响。
参考文献
[1] L. Xin, R. Qiao, X. Chen, H. Tran, S. Pan, S. Rabinoviz, H. Bian, X. He, B. Morse, B. Shan, M. Li, A streamlined platform for analyzing tera-scale DDA and DIA mass spectrometry data enables highly sensitive immunopeptidomics. Nat. Commun. 13, 3108 (2022). doi:10.1038/s41467-022-30867-7
[2] E. Cappellini, L. J. Jensen, D. Szklarczyk, A. Ginolhac, R. A. R. da Fonseca, T. W. Stafford Jr., S. R. Holen, M. J. Collins, L. Orlando, E. Willerslev, M. T. P. Gilbert, J. V. Olsen, Proteomic analysis of a pleistocene mammoth femur reveals more than one hundred ancient bone proteins. J. Proteome Res. 11, 917–926 (2012). doi:10.1021/pr200721u
[3] P. P. Madupe, C. Koenig, I. Patramanis, P. L. Rüther, N. Hlazo, M. Mackie, M. Tawane, J. Krueger, A. J. Taurozzi, G. Troché, J. Kibii, R. Pickering, M. R. Dickinson, Y. Sahle, D. Kgotleng, C. Musiba, F. Manthi, L. Bell, M. DuPlessis, C. Gilbert, B. Zipfel, L. F. K. Kuderna, E. Lizano, F. Welker, P. Kyriakidou, J. Cox, C. Mollereau, C. Tokarski, J. Blackburn, J. Ramos-Madrigal, T. Marques-Bonet, K. Penkman, C. Zanolli, L. Schroeder, F. Racimo, J. V. Olsen, R. R. Ackermann, E. Cappellini, Enamel proteins reveal biological sex and genetic variability in southern African Paranthropus. Science 388, 969–973 (2025). doi:10.1126/science.adt9539
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu9677
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