沒有化石，也能用表觀遺傳學重建丹尼索瓦人的長相？ 原載於泛科學
智人與尼安德塔人，臉部的型態特徵是已知的。圖／取自 馬克斯普朗克研究所
只知 DNA 卻不知型態的丹尼索瓦人
古代DNA 研究發展至今，最大的驚奇或許是丹尼索瓦人（Denisovans）。過往的古人類學，主要靠化石與人造物認識古代人類，例如知名的尼安德塔人（Neanderthals），就有成百上千的遺址以及大批化石，讓專家得以掌握他們的型態特徵與生活方式。等到尼安德塔人的基因組被定序成功，我們對尼安德塔人的認識，更是進一步拓展到遺傳的層次。
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智人與尼安德塔人之外，至今所有滅絕的古人類都是只有化石，不知 DNA；而唯一例外是丹尼索瓦人。目前已知丹尼索瓦人的居住地點，只有西伯利亞南部的丹尼索瓦洞穴一處，古遺傳學家由此地出土的一位蘿莉手指的骨頭中，取得了高品質的全套丹尼索瓦基因組。
然而，除了此一小到難以辨識型態的指骨以外，我們對丹尼索瓦人型態的了解只有臼齒特別大，然後就沒有其他資訊了。也就是說，絕大部分古人類是缺乏遺傳訊息，只知化石型態；丹尼索瓦人卻是只知 DNA，不知型態。
看起來，在找到更多丹尼索瓦人的化石之前，我們應該無從得知他們的長相？由耶路撒冷希伯來大學的 Liran Carmel 博士率領的戰隊，卻出乎意料地提出無比瘋狂的主意：即使缺少新的化石證據，靠著表觀遺傳學（epigenetics）仍然有辦法無中生有，重建丹尼索瓦人的面貌。
短篇 臉部形態模擬，顯示智人與尼安德塔人，共同祖先處於70萬年前
取自死人骨頭的古代基因組，也能研究表觀遺傳學！？圖／取自 Liran Carmel 2014 年演講的投影片。
能調控基因表現的DNA甲基化
基因的 DNA 序列就算沒有改變，細胞也能靠著不同的調控方式，影響基因的表現。透過不同化學修飾，不改變 DNA 本身仍能影響基因表現的方法，稱作表觀遺傳學修飾（epigenetic modification）；其中一種方法是在 DNA 鹼基上加上甲基，也就是 DNA甲基化（DNA methylation），基因組上被甲基化的區域，通常會降低或失去表現能力。
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即使 DNA 序列一模一樣，若是甲基化程度不同，基因表現仍可以產生差異。智人、尼安德塔人、丹尼索瓦人三者的親戚關係很近，遺傳差異很少，彼此間許多型態上的差別，或許並非 DNA 序列差異造成，而是與基因調控有關，DNA甲基化在其中可能就扮演著重要角色。
智人、尼安德塔人與丹尼索瓦人間的親緣關係。
問題是我們要怎麼才能知道，古代基因組上 DNA甲基化的狀態？DNA 不會變，但是像 DNA甲基化這般的表觀遺傳學修飾卻會時常變化，而且就算是同一個人，不同細胞、組織、生理狀態之下，基因組上 DNA甲基化的狀況也會有差異；因此，如果要研究 DNA甲基化，一定要注意細胞來自什麼狀態。
古代DNA 更絕望的問題是，也許幾萬年後 DNA 序列仍然生還，但是上頭的化學修飾，一定早就死光光，沒有任何辦法可以復原。
死掉幾萬年，還能得知 DNA甲基化圖譜？
幸好，雖然古代DNA 上的化學修飾沒了，不過衍生結構還在。人類基因組是由 ATCG 排列而成，大部分 DNA甲基化的位置，都位於 CG 連續出現時前面的 C，也就是胞嘧啶（cytosine）上頭，由此可以預測基因組上，哪些位置被甲基化的機率較高。
不過要如何分辨，哪些胞嘧啶曾被甲基化？生物死掉以後 DNA 會開始損壞，而最常見的是去胺作用（deamination），胞嘧啶經過去胺作用後，會轉變成尿嘧啶（uracil，簡稱 U），甲基化的胞嘧啶（5-甲基胞嘧啶）卻會變成胸腺嘧啶（thymine，簡稱 T）。賓果！
細胞還活著的時候的 DNA甲基化，以及死掉以後有無甲基化，經歷去胺作用的差異。圖／取自 ref 1
由於化學反應之故，從化石中取得的古代DNA 片段，與智人的基因組對照以後，智人是 C 的位置，古代基因組上若是 U，意謂古人類該位置本來很可能是 C，讀取到 U 是去胺作用所致。假如古代基因組上是 T，那就有兩個可能：第一，它真的是有別於智人的 T；第二，它本來是甲基化的 C，被去胺作用轉變成 T。
用次世代定序法一網打盡樣本內所有 DNA 片段，通通定序的好處是，可以取得許多古代DNA 片段，對應到基因組上的同一個位置；藉此能夠估計古代基因組上，該位置究竟真的是 T，或是甲基化 C 的機率。靠著這套策略，古代基因組上的 DNA甲基化圖譜（DNA methylation map）被順利重建。[1]
探討表觀遺傳學調控很重要的是，不同細胞的修飾狀況不同。古代基因組的 DNA甲基化圖譜，大致看來與智人的骨細胞類似，想來十分合理，因為古代基因組正是取自尼安德塔人，與丹尼索瓦人的骨細胞。
用基因調控差異，重建未知的型態
得知基因組上哪些位置被甲基化以後，接下來是比較智人與尼安德塔人、丹尼索瓦人間的差異，以及探討 DNA甲基化的差異，是否會影響三者的型態特徵。最後，則是重建型態。
由 DNA 差異判斷，尼安德塔人、丹尼索瓦人的血緣關係較近，共同祖先約能追溯到 40 多萬年前，又與智人大概在 55 到 77 萬年前分家。
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各演化分枝上，DNA甲基化位置差異的數目。圖／取自 ref 2
整體看來，基因組上甲基化位置彼此有別的數目，尼安德塔人與丹尼索瓦人分家以後，尼安德塔人有 570 個，丹尼索瓦人則有 443 個。他們的共同祖先與智人分開之後有 939 個，智人這邊則是 873 個。[2]
比對許多資料庫與序列，費了一番功夫後，研究團隊建立起 DNA甲基化、相關基因表現，與臉、聲道、咽、喉型態發育的關係。尼安德塔人有大量化石，型態如何是已知的；用尼安德塔人的型態特徵，可以回推 DNA甲基化和基因表現的改變，對型態的影響。
重建各部位的型態。圖／取自 ref 2
假如利用古代基因組的 DNA甲基化圖譜，能夠順利重建尼安德塔人的臉部型態，而丹尼索瓦人相關的基因調控狀況，又與尼安德塔人和智人相差不多，那麼同樣的預測辦法，就能用於重建丹尼索瓦人的面貌。結果尼安德塔人型態的預測，正確率約有 87%，可見預測大致上是可靠的。 於是，研究團隊重建了丹尼索瓦人的型態。
假如跟想的一樣，丹尼索瓦人會有不少特徵與尼安德塔人一致，不過也有 56 項有別於智人和尼安德塔人，例如丹尼索瓦人配備更長的牙弓（dental arch），以及更寬的雙頂骨（biparietal）。
已知的尼安德塔人，以及推估的丹尼索瓦人分佈範圍。圖／取自 PaleoAnthropology+ twitter
丹尼索瓦人是「他」？
非常非常有意思的是，研究團隊也將預測的丹尼索瓦人和許昌人比較，而且驚訝地發現，許昌人已知的型態特徵中，大部分都與「丹尼索瓦人」吻合。
十萬年前住在東亞的許昌人：有點傳統也有些現代，還帶點尼安德塔
許昌人化石（Xuchang 1）的拼湊結果。圖／取自 ref 3
許昌人出土於中國河南省，許昌的靈井遺址，是生活在東亞北方，10 萬年前的古早人類；型態特徵與所有已知古人類都不完全一致，所以難以歸類；還有 2 項特徵與尼安德塔人一致。某些古人類學家認為，既然有共同的型態，許昌人和尼安德塔人間應該有某種糾葛；還有人推論，許昌人多半與丹尼索瓦人有關係，甚至大膽猜測許昌人，就是面貌未知的丹尼索瓦人本尊。[3]
至今為止，用 DNA甲基化圖譜重建古人類型態的研究，都還沒有正式發表。丹尼索瓦人的型態預測是否正確，許昌人是不是就是各界尋覓已久的丹尼索瓦人，這些令人期待的問題，仍有待未來分曉。
至少我們如今知道，聰明的智人已經想到辦法，有望能無中生有，重建滅絕親戚未知的面貌。
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1. Gokhman, D., Lavi, E., Prüfer, K., Fraga, M. F., Riancho, J. A., Kelso, J., … & Carmel, L. (2014). Reconstructing the DNA methylation maps of the Neandertal and the Denisovan. Science, 1250368.
3. Li, Z. Y., Wu, X. J., Zhou, L. P., Liu, W., Gao, X., Nian, X. M., & Trinkaus, E. (2017). Late Pleistocene archaic human crania from Xuchang, China. Science, 355(6328), 969-972.
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