一、   灵长类大脑进化的遗传机制及其关键基因的功能解析 

　　    大脑是高等动物行为和认知的物质基础和控制中枢，同时也是进化中扮演重要角色的功能器官。灵长类大脑的进化是导致灵长类在进化过程中产生复杂认知行为并发生适应辐射(adaptive radiation)从而产生丰富多样的灵长类物种的主要原因。我们的研究旨在揭示灵长类大脑进化的遗传机制，主要包括一下几个研究方向: 

• 　  寻找在灵长类中快速进化且在大脑发育和大脑功能中具有重要作用的基因； 
• 　　研究在灵长类大脑进化中发挥关键作用的基因的功能及其在进化过程中的功能改变； 
• 　　在前期研究的基础上重点选择调控灵长类大脑容量(MCPH1)与神经元形成和迁移(SrGAP2C)等大脑容量发育与结构复杂化的关键基因，构建人类特有的MCPH1与SrGAP2C等关键基因的转基因猴模型大样本群体，并利用多组学手段以及MRI脑影像技术，构建MCPH1与SrGAP2C转基因猴大脑发育关键时期的转录组、脂质组与脑影像动态图谱，以期解析灵长类大脑容量与结构复杂化的分子机制。 

　　  研究成果不但为最终阐明人类智力起源的分子机制提供基础数据，同时为解析诸如帕金森氏症（PD）、老年痴呆症（AD）等人类中枢神经系统退行性疾病的发病机理和早期预防与治疗具有重要的科学价值。 

　　代表性成果： 

　　1. 小脑症基因MCPH1基因在人和灵长类物种中的分子进化 

　　  小脑症基因（microcephalin，MCPH1）是调控人类大脑发育的关键基因之一。前人的研究表明，该基因突变失活以后，会引发人类原发性小脑症，病人的脑容量仅有正常人的三分之一到四分之一，相当于早期类人猿的脑容量。 

　　    图1. 脑容量进化图。 

　　  我们通过对人类和十二种代表性灵长类动物（包括非洲大猿、亚洲小猿和旧大陆猴等）小脑症基因DNA一级序列的比较研究，发现小脑症基因在人群中存在较为丰富的多态性。在对来自亚洲，非洲和欧洲人群的分析中，我们共发现了15个蛋白质序列变异（图1）。中性检验和分子系统学分析显示，人群中小脑症基因丰富的多态性可能是新石器时期以来人群的迅速增长和达尔文正向选择两种力量共同作用的结果。通过对小脑症基因在灵长类中突变模式的分析，我们还发现，该基因在从小猿到大猿的进化过程中可能受到较强的达尔文正向选择的作用，从而参与大猿起源过程中大脑容量的急剧增加（由90毫升到300毫升）。因此，我们的研究结果表明，小脑症基因在灵长类演化和人类的起源过程中，尤其是大脑的演化过程中，可能是一个重要的参与者。   

　　图2. 与脑容量差异相关的单核苷酸变异的连锁不平衡图谱。

    另外，人群中大脑容量也存在个体差异（1200－1600毫升）。前人的研究表明，人类脑容量的大小是受遗传影响的，并且同短时记忆等认知能力相关。然而，哪些基因对人群脑容量的差异有贡献并不知道。我们通过对中国人群的研究，发现了一个同脑容量差异相关的单核苷酸序列变异（简称 SNP）。这个SNP存在于一个同大脑发育相关的基因－MCPH1中，是一个缬氨酸到丙氨酸的突变，在人群中的等位基因频率约为36％。研究发现，丙氨酸等位基因纯合个体的脑容量明显高于祖先型缬氨酸等位基因的纯合个体。进一步的分子进化分析表明，这个SNP并没有受到明显的正向选择作用。因此，人群中脑容量的差异可能是一个中性或受到较弱选择的表型。上述研究结果发表在国际人类遗传学知名刊物Hum Mol Genet 13: 1131-1137 (2004)； Hum Mol Genet 17:1329-1335（2008)。该研究成果将为了解灵长类进化中大脑容量增大的分子机制和人类起源的遗传学基础提供有益的信息。同时也是目前发现的第一个同人群脑容量差异相关的序列变异，将有助于阐明人类大脑演化以及人类中枢神经系统疾病的遗传学机制。 

　　2. 丝氨酸蛋白酶（Neuropsin）基因选择性剪切的分子进化  

　　在真核生物基因组中，基因的选择性剪切（alternative splicing）是非常普遍的现象。在人类基因组中，至少有一半以上的基因存在选择性剪切。因此，在进化过程中，基因的选择性剪切是产生新蛋白质和新功能的重要机制之一。 

　　Neuropsin（又称KLK8）是一种主要在大脑海马区表达的丝氨酸蛋白酶。对小鼠的研究发现该基因同学习和记忆的功能调节以及大脑的发育相关。在人脑中，Neuropsin基因表达两种RNA（Type-I 和Type-II）。其中，Type-II是小鼠中没有的。在人的胚胎中，Type-I和Type-II两种剪切方式都有表达，且丰度相似。在成人脑中，Type-II成为优势表达的剪切方式，Type-I仅有少量表达。对主要灵长类代表物种的Neurospin基因的序列比较分析结果表明，在新大陆猴和旧大陆猴中，Type-II特异的第3外显子存在1-2个碱基的插缺，从而导致Type-II读码框的改变；但在小猿和大猿中没有发现插缺。因此可以推测，Type-II起源于人猿超科（Hominoid）的祖先距今约1千8百万年前。这种新的Neuropsin基因的剪切方式的产生，可能对灵长类大脑功能的演化产生影响。 

　　进一步的功能实验发现在人类Neuropsin基因内涵子中的一个点突变导致了新的剪切体的产生。将黑猩猩Neurospin基因的相应位置突变为人类的序列后，黑猩猩的基因在报告基因的实验中也会表达人类特有的新剪切体，从而证明这一在人类进化中产生并在人群中固定下来的突变是导致人类大脑中产生Neuropsin基因新剪切体的根本原因。 

　　进一步功能分析表明,人类特有的这种剪接体有着大脑特异性的转录起始位点。不仅如此, 它在大脑皮层的表达还有时空依赖性。根据胚胎干细胞中的检测实验,我们推断它不仅参与了人的学习记忆,而且功能作用可以追溯到胚胎发育早期。而我们的生化实验则证实了该剪接体不仅能产生与古老剪接体同样的活性蛋白，而且进化出一种特有的活性蛋白前体。该项研究表明，新剪接体的出现可能是大脑中原有基因需求精细调控和功能修饰的结果。这些研究结果表明，在人类起源中，基因剪切的变化可能是导致人脑中产生新的蛋白质进而出现新功能的重要机制之一。研究成果发表于Mol Biol Evol 21: 2111-2115（2004）；Human Mutat 28：978-984（2007）；Cell Res 19，259-267 (2009)。这些研究结果发表后受到国际同行的广泛关注，英国《New Scientist》（2007，May 12）杂志以“Gene variant may be responsible for human learning”为题对这一研究成果进行了专题评论，认为“如果丝氨酸蛋白酶基因新剪切体能增强学习与记忆能力的话，这将是一件非常令人激动的事情”。 

　　3. 灵长类中小RNA（miRNA）基因的快速进化研究 

　　miRNA是一类内源性的，非编码RNA基因。它通过与mRNA中特定的互补位点结合来调节蛋白编码基因的表达和翻译，从而参与发育的精细调控等一系列重要的生命过程。目前，绝大多数已知的miRNA在序列上都很保守，表明其承担着重要的生物学功能。然而，基因组中也可能存在快速进化的miRNA, 并在新的表型和功能的产生中发挥作用。我们前期对一个位于X染色体上并在睾丸中优势表达的miRNA家族的研究结果证实，除蛋白编码基因以外，miRNA基因也会受到达尔文正选择的影响，发生快速的进化，可能在灵长类大脑功能演化中扮演重要角色。 

　　 在灵长类基因组中存在一类中等重复序列－Alu。它是灵长类特有的重复序列，对灵长类基因组的演化具有深远的影响。我们通过对灵长类代表物种的研究，发现了一个由Alu介导产生并快速复制的miRNA家族。这个家族位于人类19号染色体上，在胎盘和胎儿大脑中优势表达。为了阐明灵长类物种中miRNA基因快速进化的分子机制，我们对该miRNA家族在灵长类物种中的进化模式进行了深入的分析，研究结果表明在灵长类的进化过程中，这个家族在Alu的介导下，不断通过基因重复产生新的拷贝，且拷贝数在灵长类物种间存在很大差异（8－85个拷贝）。序列比较表明，物种内和物种间miRNA的序列分歧相似；同时，在各个灵长类分支中均存在基因拷贝的获得和丢失，也存在基因的假基因化。由此表明，这个miRNA家族在灵长类中经历了典型的“生－灭”（Birth and Death）进化历程。它暗示这个家族的miRNA基因在灵长类的进化中其功能可能发生了多样化，以适应不同灵长类物种在发育过程中的需要。 

　　人类群体在表型上的多样性同群体和个体间基因表达的变异相关。而且，在基因组中，不同基因的变异程度也有所不同。前人的研究提示，在进化过程中miRNA对基因表达的调控会使种间靶基因的表达差异小于其他基因的表达差异，但在种内是否如此尚不清楚。我们通过对人群大脑基因表达谱的变异同miRNA调控关系的研究发现，miRNA对靶基因表达的调控会放大其表达变异。通过对已发表的193例人类大脑基因表达谱的分析发现，一个基因3’UTR区域包含的miRNA识别位点越多，则这个基因在人群中的表达谱变异越大。这种相关性不受3’UTR长度以及miRNA类型的影响。同时，研究结果还证明，人群中靶基因miRNA识别序列的变异也会导致表达谱的变异增加。根据这些研究结果，我们提出，种内miRNA导致的基因组范围的表达谱变异在进化中可能有助于物种对环境的适应，因为它在基因表达水平提供了更宽广的“缓冲带”。 

　　上述研究结果发表于Genome Res 17：612-617（2007)。Mol Biol and Evol 25, 1493-1502 (2008)。Nucleic Acids Res 36，4621-4628 (2008)。这些研究结果将为我们更为全面地了解miRNA基因在灵长类大脑功能演化中的作用，Alu对灵长类基因组进化的影响以及非蛋白编码基因的进化模式以及了解miRNA对全基因组范围内蛋白质基因的表达谱进化所产生的影响提供新的视角和思路。 

　　4. 揭示人和灵长类大脑在进化过程中的甲基化模式 

　　表观遗传修饰的重要性越来越被人所认识，但是表观遗传的变化如何对表型的进化产生影响，特别是表观遗传调控在人类大脑进化中的作用仍然不是很清楚。为了揭示DNA甲基化在灵长类大脑功能演化中的变化模式，我们对4个大脑容量调控关键基因ASPM、CDK5RAP2、CENPJ和MCPH1上游非翻译区（5’-UTR）的甲基化模式进行了系统的分析。发现CENPJ基因在人类大脑中是低甲基化的，同时我们在人的大脑中检测到比非人灵长类高得多的CENPJ的表达。在人类大脑中CENPJ的低甲基化和高表达提示这一人类特异的表观遗传变化可能是伴随人类起源而发生的。由于CENPJ是神经发育调控的重要参与者，所以我们推测CENPJ的高表达可能造成人类神经前体细胞数量的增加，从而最终导致人类大脑容量的增加和认知能力的提高。研究结果发表在分子进化领域重要期刊Shi L et al. Mol Biol Evol 31：594-604（2014）。该基因反映了在人类大脑中存在人类特异的低甲基化变化模式，但这种人类特异的甲基化模式在全基因组水平的变化模式仍然不清楚。我们与Soojin V. Yi教授合作对人类、黑猩猩和猕猴 3个物种的大脑前额叶进行了全基因组甲基化测序，发现了85个人类特异的甲基化变化区域（DMR）。进一步的重测序与基因表达验证发现，大部分DMR集中在基因间区域，而这些区域基本上都是H3K4me3标识的转录活跃区域；这些区域可能通过影响一些神经特异转录因子的结合参与神经发育调控过程。研究结果提示表观遗传变化在人类大脑功能演化过程中发挥着着重要的生物学功能。研究结果发表在分子进化领域重要期刊Mendizabal I., Shi L. et al. Mol Biol Evol. doi: 10.1093/molbev/msw176 (First published online: August 25, 2016)。

图3. 人和灵长类大脑中人类特异的DNA甲基化变化区域（DMR)。A.人和非人灵长类物种发育树；B.人类第4号染色体上存在的一个人类特异的DMR。

  二、   东亚现代人的起源、迁徙与适应性进化 

　　现代人大约10万年前走出非洲并扩散到世界各地，东亚地区幅员辽阔，是现代人迁徙扩散的重要场地。人类从非洲起源以后在向其它地区扩散的过程中仍然发生着对温度、太阳紫外线辐射、高原缺氧等环境因素以及食物结构改变、疾病等各种因素的适应性进化。东亚地区人口密集、南北纬度跨度大，是研究人类群体遗传多样性和适应性进化最重要的地区之一。我们的研究旨在揭示东亚人群的起源和迁徙真相，并探究其在迁徙过程中产生的适应性进化及其机制，主要包括： 

• 　　通过系统分析人类mtDNA和Y-染色体DNA、以及化石和遗骸古DNA的遗传变异在东亚地区人群中的分布模式，探索东亚现代人起源的方式，重建其史前迁徙的路线，了解人类群体遗传结构的历史变迁及其与人群文化和语言分化的关系； 
• 　　通过系统分析诸如温度、太阳紫外线辐射、高原缺氧等环境因素指标与人群基因组变异之间的相关性，探讨人群在史前迁徙过程中对环境、饮食等各类因素的适应性进化的遗传学机制，为癌症等人类重大疾病的流行病学研究提供重要信息。 

　　研究成果不仅能为世界范围内人类起源和迁徙的进化遗传学研究提供了重要的资料，为中华民族起源的研究提供了重要的证据。同时，也能阐明了东亚人群对环境的适应性进化的内在机制，为疾病研究及个性化医疗提供更多资料。 

　　代表性成果： 

　　1. 证实了东亚现代人群之间的南北遗传差异，提出东亚人群的共同祖先由南往北的史前迁徙路线及年代 

　　以前的遗传学研究揭示了东亚南方和北方人群在遗传背景上存在一定的差异，但如何解释这种遗传差异以及它同东亚现代人史前迁徙路线的关系是大家争论的焦点。宿兵研究员研究组与复旦大学金力教授和云南大学肖春杰教授研究组合作，通过采用父系遗传的Y染色体的遗传标记单倍型组O3-M122，对40个东亚南北方代表群体,共2332个男性个体进行了系统的SNP-STRs比较分析。研究结果表明，南方群体的Y染色体单倍型较北方群体更为丰富，并存在南方群体特有的单倍型，而北方群体仅有部分南方群体具有的Y染色体单倍型。据此，我们的研究结论是：东亚南方群体是祖先群体，北方群体是在约25000－30000年以前从南方迁移到北方的。即由非洲起源的东亚现代人最早到达东亚的南部，他们最初的迁徙路线是由南向北。该项研究结果是迄今为止最系统的有关东亚现代人最早史前迁徙的遗传学证据，是对东亚现代人的起源和史前迁徒的其它证据的一个有益的补充。 

　　另外，东亚人群的Y染色体单倍型中存在一种东亚特有，但分布奇特的单倍型－D174单倍型（又称YAP单倍型）。它在我国的藏族、日本人和东南亚阿德曼人群中有很高的频率（>30%），但在其他东亚人群中频率很低。我们对D174单倍型进行了系统的研究，发现它实际上代表了一个非常古老的东亚现代人的Y染色体单倍型。经过对73个东亚代表人群的分析，结果发现，D174单倍型起源于东亚的南部，且其由南向北的迁徙大约发生在距今6万年前，远远早于发生在25000－30000年左右的那次大迁徙，可能是发生在东亚大陆最早的大规模现代人群的迁徙。由于最近一次冰河期的恶劣气候以及新石器时代(10000年前)以来华夏文明的扩散，现在的东亚人群中只有少数人群保存了那次史前迁徙的遗传印记。上述研究结果发表于Am J Hum Genet 77, 408–419，2005；BMC Biology 6, 45 (2009)。国际知名学术期刊Journal of Biology（2009，8:18）撰文对本研究进行了评论。 

　　2. 证明了东亚人群史前迁徙的“北线”假说 

　　人类分子遗传学的研究成果支持人类走出非洲（Out of Africa）的学说，即生活在地球上的现代人类均是约5-10万年前走出非洲的史前人类的后裔。Y-染色体单倍群及线粒体SNP研究表明，定居于东亚地区的现代人类，其祖先在离开东非洲后进入阿拉伯半岛，沿印度洋海岸线进入东南亚地区（包括我国云南），后来逐渐向北部内陆地区扩张，即东亚人群迁徙由南到北的“南线”（Southern route）假说。与此同时还有“北线”（Northern route）假说，即史前人类大约在5-6万年前从北非进入地中海东部地区，然后沿东西走向分别进入中亚和欧洲。随着研究不断深入，南线学说无法全面解释现有东亚人群南北方的遗传差异，以及北部地区检测到的属于中亚和欧洲地区的遗传信号。对于“北线”假说是否成立，以及中亚及欧洲遗传信号是否仅仅由于近期（而非史前）基因交流的结果，以及史前迁徙的过程目前还不甚清楚。 

图4.不同人群Y染色体分析。

    为了验证东亚人群迁徙的“北线”（Northern route）假说，即史前人类大约在5-6万年前从北非进入地中海东部地区，然后沿东西走向分别进入中亚和欧洲。我们与中国科学院遗传与发育生物学研究所发育生物学研究中心马润林研究组合作，通过高密度Y-染色体单倍群及微卫星（STR）基因型分型检测了遍布中国境内116个地区和朝鲜地区的共3826名男性DNA样本，构建了精细的Y-染色体单倍群进化地理分布图谱，并测定了有关单倍型的STR年代。结果表明东亚人群中存在4个主要Y-单倍群占检测人数约93%，支持南线学说。重要的是，研究发现东亚确实存在中亚和西部欧亚的遗传输入（约7%），对这些单倍群分别进行系统地理发育分析发现，它们基本都表现出沿北线的末次冰川期后的人群扩张。尤其是Y染色体单倍群Q的一个亚分支Q1a1-M120，推测是史前人群沿北线迁移，途径东亚北部留下的最好痕迹。Y染色体单倍群Q分布在东欧、北欧、高加索、西亚、南亚、中亚、西伯利亚、美洲和东亚，但Q的分支Q1a1-M120局限性地分布在东亚，主要是东亚北方人群，并且表现出了最高的多态性。另外，美洲的Q来源人群（Q1a3a）的祖先单倍群Q1a3*在东亚北部也有检出。单倍群Q1a1-M120和Q1a3*-M346来源的个体表现出的共祖时间分别是1.54和1.78万年。这些证据有力的支持了史前人群走北线的迁移方式，并且正是这种北线对东亚的人口输入，加大了东亚南北方人群的遗传差异。这项研究清楚回答了前期研究中难以解释的东亚人群中存在的中亚及欧洲遗传成分问题，提供了史前人类沿北线迁徙的重要证据。该研究所揭示的东亚Y染色体群体遗传结构，也有助于医学遗传学的研究。研究结果发表在Mol Biol Evol 28, 717-727（2011）。 

　　3. 东亚大陆现代人群史前定居历史的遗传学证据 

　　现代人在20万年前从非洲起源以后，于大约10万年前开始从非洲向其他地区扩散。然而，现代人在什么时候、通过什么路线迁徙到达亚洲一直是颇具争议的问题。柬埔寨是东南亚的文明古国之一，且分布有20多个古老的土著人群，对研究现代人的史前迁徙时间和路线具有重要的价值，但以前对柬埔寨土著人群的研究却非常少。我们在柬埔寨东北部采集了多个土著人群的1,000多份DNA样本，并对母系遗传的线粒体DNA（mtDNA）的序列多态性进行了谱系地理学分析。mtDNA全基因组测序和基因分型的结果表明，在柬埔寨土著样本中存在以前没有报道的新母系世系，包括4个根部世系和4个分支世系。并且，新的根部世系的共祖时间在55,000年到 68,000年之间，可能代表了现代人最早到达东南亚次大陆的母系遗传世系。因此，柬埔寨土著人群具有古老而独特的母系遗传多样性。携带这些古老母系世系的柬埔寨人群可能代表了早期走出非洲，经印度次大陆，约60,000年前进入亚洲东部的现代人祖先的后裔。本研究首次系统地描绘了柬埔寨土著人群母系起源与迁徙的模式，不仅为亚州人群的早期定居模式提供了群体遗传学证据，而且为揭示其在迁徙过程中适应环境的分子机制提供了线索。研究结果发表于Nature系列刊物 Zhang XM et al. Nature Communications,4:2599 (2014)。 

图5. 柬埔寨土著人群中发现的古老母系遗传组分谱系图（红色分支）。

　　4. 人群环境适应的分子机制研究 

　　p53基因不仅是人类基因组中最重要的抗癌基因，同时它也是机体感受环境压力并进行相应调节的关键基因之一。p53在进化上是非常保守的，并且在通常情况下表达水平很低。在p53的代谢通路中，Mdm2是p53的主要负调节因子，它和p53之间通过类似“阴阳消长”的形式相互调控从而使细胞机能处于平衡状态。在人群中，p53和Mdm2各有一个具有功能效应的序列多态位点，它们会影响这两个基因的表达及其活性水平。我们与英国牛津大学路德维格癌症研究所卢欣教授合作研究发现，在东亚人群中，p53基因第72位的序列变异(脯氨酸变为精氨酸)同纬度密切相关，即纬度越高，其所在纬度人群中精氨酸等位基因的频率越高。进一步的分析证实，这种相关性是由于不同纬度在冬季的气温差异造成的。在细胞水平的功能实验表明，p53的两种等位基因对其代谢通路中的LIF基因的活性影响程度不同，从而可能最终导致不同等位基因对胚胎着床成功率的影响。这可能是东亚现代人在史前由南向北迁徙过程中为应对环境变化而发生的适应性改变。另外，我们的研究还发现，Mdm2所受的选择压力同p53不同，它主要源于对不同地区紫外线强度差异的适应。这项研究首次揭示，像p53和Mdm2这样感受环境压力的关键基因，在东亚人群中受到了很强的自然选择的影响。研究论文发表于著名人类遗传学杂志 Am J Hum Genet 84,534 - 541 (2009)。该项研究成果不仅有助于了解人群遗传结构的适应机制，同时也将为癌症等人类重大疾病的流行病学研究提供重要的信息。《Nature China》（2009，May 20）对本研究进行了专题报道。 

　　5. 人群对酒精的适应性进化 

　　在人类进化的历史长河中，新石器时代标志着农业文明的出现和人类生活方式的巨大改变，特别是由于水稻和小麦等主要农作物的驯化所导致的人类食物结构的变化。我们通过对乙醇脱氢酶第47位氨基酸多态性（ADH1B*47His）的研究发现，这一氨基酸突变在人群中的分布和起源时间与中国南方新石器早期水稻的驯化及其扩散的模式非常吻合。考古学研究已经证明，中国南方发酵大米和酿酒的历史可以追溯到水稻驯化的早期，即9000年以前。携带ADH1B*47His突变的乙醇脱氢酶代谢乙醇的能力是普通乙醇脱氢酶的100倍，这导致代谢中间体乙醛的大量积累。乙醛短时间大量积累会导致诸如脸红、眩晕等不良反应，会阻止饮用者过量食用从而减轻乙醇对身体的危害，但同时又能够利用大米经过发酵后（如米酒等食物）的较高营养价值。这种自然选择作用导致ADH1B*47His在过去1万年间随着水稻种植的扩散在东亚人群中迅速增加，在中国江浙地区接近100％。研究结果发表于 BMC Evol Biol 10, 15 (2010)。该研究是目前报道的仅有的几个人类对食物变化分子适应的例子，为了解新石器时代以来人群遗传结构的变迁以及自然选择的分子机制提供了新的证据。美国《科学》杂志在其科学新闻栏目－ScienceNow专门为该研究结果做了述评报道（http://sciencenow.sciencemag.org/cgi/content/full/2010/120/3）。 

　　6. 揭示东亚人群肤色变浅的分子机制 

　　现代人类从起源地非洲向世界其它地区迁徙过程中，会面临各种环境压力，这些环境压力作为一种自然选择推动力促使人类的生理机能会发生一些适应性的进化。例如，皮肤颜色的变化是人类进化历程中的重要事件，我们的非洲祖先为了适应靠近赤道的高紫外线辐射环境而进化出很深的肤色，而生活在高纬度地区人群的肤色较浅，这体现了人群对环境紫外线辐射强度变化的适应。前人的研究提出欧洲和东亚人群的肤色变浅可能是独立的进化事件。目前对欧洲人群的肤色变浅机制已有非常系统的研究，并发现了一系列导致肤色、眼睛颜色和头发颜色变化的基因，但是，对东亚人群肤色变浅的遗传机制尚不清楚。  

　　东亚地区幅员辽阔，纬度跨度很大，常年紫外线的照射量随着纬度的不同有所差异，是研究肤色变浅机制的理想地区。我们利用全基因组芯片技术系统分析近千份东亚人群的全基因组数据与肤色表型数据，发现了具有深肤色的南亚语系人群与具有浅肤色的中国北方汉族人群之间遗传差异最大的色素基因——OCA2。该基因在东亚人群中受到了强烈的达尔文正向选择，第615位的一个氨基酸突变（rs1800414, His615Arg）在东亚人群中广泛分布，而欧洲和非洲人群中则没有这个突变。肤色表型相关性分析以及体外和体内功能验证实验均证明了该突变会明显影响黑色素的合成和成熟，最终导致东亚人群肤色的变浅。研究成果首次阐明了东亚人群肤色变浅的内在机制，对深入理解趋同进化和表型适应性进化的遗传机制具有重要科学价值(Yang ZH et al. Mol Biol Evol 33, 1177-87 (2016))。

图6. A.东亚人群肤色表型特征。B.世界人群中肤色深浅差异。C-G.OCA2 His615Arg 位点的功能验证实验。

    三、   青藏高原史前人类定居历史及其对高原低氧极端环境的适应机制 

　　青藏高原是人类居住的最极端环境之一，目前有近500万藏族居民世代定居在海拔3500米以上的高海拔地区，绝大部分的藏族居民已经对高原低氧极端环境产生了最佳的生理适应性，但是，现代藏族人群的祖先是何时成功定居青藏高原并开始发展对高原低氧极端环境的生理适应？以及现代藏族人群是如何在基因组水平通过对心、肺等关键低氧敏感器官的精细调控来实现对高原低氧极端环境的生理适应这一科学问题仍不清楚。我们的研究旨在揭示青藏高原史前人类定居历史及其对高原低氧极端环境的适应机制，主要包括： 

• 　　 利用多组学数据探究藏族高原低氧适应的分子遗传调控机制； 
• 　　利用EPAS1转基因小鼠实验探索低氧适应的表型及适合度； 
• 　　利用多组学分析手段研究藏族人群新生儿适合度； 
• 　　利用大规模的生理数据和样本研究藏族高原低氧相关表型适应模式： 
  • 　　藏族人群血红蛋白钝化调节的海拔拐点； 
  • 　　藏族人群在高原低氧下血液一氧化氮的钝化效应； 

　　代表性成果： 

　　1. 青藏高原史前人类定居历史研究 

　　我们通过系统分析覆盖整个青藏高原迄今最大规模的藏族人群（n=6109）的Y-染色体、线粒体和常染色体全基因组的遗传信息，证明现代藏族人群的祖先人群早在3万多年前就已成功定居于青藏高原，并开始发展对高原低氧极端环境的生理适应，3万多年前定居于青藏高原地区的旧石器早期采集狩猎人群成功渡过高原冰期环境，并与近1万年前移居青藏高原的新石器农业人口融合形成了现代青藏高原地区的藏族人群，旧石器早期定居者与新石器农业人群对现代藏族人群的遗传多样性格局具有同等的遗传贡献（Qi XB et al. Mol Biol Evol, 30, 1761-78 (2013); Qi XB et al. Encyclopedia of Life Sciences (eLS): John Wiley & Sons, Ltd. p. 1-10. DOI: 10.1002/9780470015902.a0025527 

　　2. 藏族高原适应的遗传机制研究 

　　现代人大约10万年前走出非洲并扩散到世界各地，他们在史前迁徙的过程中会面临新环境的生存挑战。世袭在青藏高原的藏民族对高原缺氧的环境具有很好的适应力，但其适应的遗传机制长期以来一直是未解之谜。宿兵研究课题组和西藏大学以及美国哈佛医学院的科研人员合作，对藏族高海拔适应性的遗传学机制开展了系统的研究。经过全基因组单核苷酸序列多态（SNP）芯片扫描，他们发现EPAS1和EGLN1这两个低氧相关基因在藏族人群中有很强的自然选择信号，且与汉族在单倍型频率上表现出很大的差异。通过对EPAS1基因的全测序分析，发现这个基因在藏族人群中发生了很强的自然选择，选择时间大约至少1.8万年以上。研究结果发表于国际知名学术刊物Mol Biol Evol 28,1075-1081 (2011)。该研究从分子水平初步揭示了藏族高原适应的遗传学机制，为进一步深入分析藏族人群高原适应的分子生物学基础提供了基础数据和候选基因。通过进一步对这些关键基因在大样本藏族人群中的全长重测序、遗传相关性分析以及细胞水平的低氧诱导实验与转基因小鼠的低氧诱导实验等综合分析，率先鉴定出了藏族人群对高原低氧长期适应过程中发挥重要生物学功能的EPAS1及其负调控因子EGLN1基因的关键功能位点。研究成果发表在Xiang et al. Mol Biol Evol 30：1889-1898，2013; Peng et al. Mol Biol Evol 2016, in revision。 

图7. A. EPAS1基因在藏族与其它人群之间的等位基因差异及其LD图。B. EPAS1基因敲除小鼠在低氧环境中的生理指标变化。