Science：蛋白質(zhì)組學(xué)揭秘晚更新世哈爾濱人顱骨屬于丹尼索瓦人
丹尼索瓦人是主要通過基因組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的古人類群體，主要分布在亞洲，但由于相關(guān)遺骸基本都為稀疏牙齒、骨頭碎片、指骨和部分顱骨碎片等，缺乏完整的形態(tài)學(xué)特征，難以用來研究不同古人類群體的全貌。根據(jù)已有的研究推斷，丹尼索瓦人在東亞地區(qū)分布更為廣泛，且在這些地區(qū)確實(shí)已經(jīng)出土了大量中晚更新世的古人類標(biāo)本，其中徐家窯、哈爾濱出土的顱骨標(biāo)本相對(duì)完整，形態(tài)學(xué)信息更加豐富，根據(jù)年齡、地理位置和古生物學(xué)特征判斷，極有可能是丹尼索瓦人，但仍缺乏切實(shí)與直接的研究證據(jù)。
中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所付巧妹團(tuán)隊(duì)與河北地質(zhì)大學(xué)季強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作，基于質(zhì)譜技術(shù)，對(duì)河北地質(zhì)大學(xué)博物館收藏的哈爾濱古人類頭骨樣本進(jìn)行了深入的古蛋白質(zhì)組學(xué)研究，該頭骨的年代至少為14.6萬(wàn)年前。使用PEAKS® Online軟件中de novo輔助的DB search、PTM和SPIDER分析，共發(fā)現(xiàn)了95種內(nèi)源性蛋白質(zhì)，122個(gè)氨基酸突變位點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)發(fā)育分析共同揭示了該標(biāo)本歸屬于丹尼索瓦人，而此前的研究將其劃分為“Homo longi”新物種。近日，該研究成果已正式發(fā)表在SCIENCE雜志上，題為“The proteome of the late Middle Pleistocene Harbin individual”，填補(bǔ)了形態(tài)學(xué)和分子證據(jù)之間的空白，增強(qiáng)了我們對(duì)丹尼索瓦人的時(shí)空分布和進(jìn)化歷史的理解。
研究結(jié)果
內(nèi)源性蛋白組鑒定
提取標(biāo)本中的蛋白質(zhì)，經(jīng)質(zhì)譜檢測(cè)和PEAKS® Online分析，共鑒定出308,458個(gè)PSMs和20,455條肽[1]，然后基于肽段強(qiáng)度計(jì)算谷氨酰胺（Q）和天冬酰胺（N）的脫氨值，以此評(píng)估該個(gè)體中是否存在古蛋白質(zhì)。結(jié)果有59個(gè)蛋白質(zhì)同時(shí)具有可信的Q和N脫酰胺值，對(duì)這59個(gè)蛋白質(zhì)進(jìn)行聚類分析，以區(qū)分內(nèi)源性蛋白質(zhì)和污染蛋白質(zhì)（Fig. 2A）。角蛋白和胰蛋白酶等8種蛋白質(zhì)被視為污染物排除（Fig. 2A中的第1組）。其余51種蛋白質(zhì)顯示脫酰胺值升高（Q脫酰胺范圍22.56-100%,N脫酰胺范圍17.97-100%）（Fig. 2A中的第2/3/4組），被認(rèn)為是真正的古蛋白質(zhì)。此外，其他48個(gè)僅包含Q或N脫酰胺的蛋白質(zhì)中有44個(gè)顯示出可靠的Q/N脫酰胺值。因此，共檢測(cè)到95個(gè)脫酰胺值顯著升高的蛋白質(zhì)，被認(rèn)為屬于哈爾濱個(gè)體的內(nèi)源蛋白質(zhì)組。這95個(gè)蛋白質(zhì)的主要組成包括68.4%的基質(zhì)蛋白和12.6%的非基質(zhì)血漿蛋白（Fig. 2B），這與保存完好的骨骼標(biāo)本中描述的相當(dāng)[2]。
在14.6萬(wàn)年前的哈爾濱人顱骨中檢索到的95種蛋白質(zhì)和多達(dá)19,299條多肽（Fig. 1B），不僅增加了從可追溯到10萬(wàn)年以上的原始人中鑒定的蛋白質(zhì)組庫(kù)。與先前發(fā)表的古蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)相比，本研究鑒定的多肽數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于同時(shí)代Xiahe1下頜骨(>16萬(wàn)年前)、Xiahe2肋骨和Grotte du Renne骨碎片（Fig. 1B）。因此，本研究從哈爾濱古人類顱骨中構(gòu)建了一個(gè)信息量很大的古人類蛋白質(zhì)組庫(kù)。
Fig. 1B The protein and peptide counts identified from five specimens
物種歸屬
為了在蛋白質(zhì)組學(xué)層面確定哈爾濱個(gè)體的種群分配，作者統(tǒng)計(jì)了相較于現(xiàn)代人、尼安德特人、丹尼索瓦人、黑猩猩、大猩猩和猩猩的各自獨(dú)有的，包含突變氨基酸的多肽數(shù)量。從95個(gè)內(nèi)源性蛋白質(zhì)組中篩選出122個(gè)單氨基酸突變位點(diǎn)（SAP），表明哈爾濱顱骨和丹尼索瓦人之間存在顯著關(guān)聯(lián)（Fig. 3）。
Fig. 3. The SAP assignments for the Harbin cranium
種群分配
隨后，作者篩選了4個(gè)丹尼索瓦人特有的突變位點(diǎn)，比較了這四個(gè)位點(diǎn)分別在哈爾濱、夏河、澎湖和丹尼索瓦人標(biāo)本中相對(duì)應(yīng)的氨基酸。根據(jù)Table 1，可以確認(rèn)哈爾濱個(gè)體顱骨的兩個(gè)雜合子位置：COL18A1 G1033R和COL26A1 R196G，及一個(gè)純合子COL4A3 R368H，均可以支持其屬于丹尼索瓦人種群。
系統(tǒng)發(fā)育重建
為了確定哈爾濱顱骨的更具體的分類學(xué)歸屬，作者重建了這些內(nèi)源性蛋白質(zhì)的共有序列以進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析。對(duì)于哈爾濱顱骨的每種內(nèi)源蛋白，如果滿足以下要求，則保留可靠的等位基因：PSM count ≥2、PSM ratio ≥10%、intensity ratio ≥10%[3]。用于系統(tǒng)發(fā)育分析的參考數(shù)據(jù)集是使用來自先前發(fā)表的高覆蓋率基因組的翻譯蛋白質(zhì)序列構(gòu)建的，包括丹尼索瓦 3、兩個(gè)尼安德特人、一個(gè)早期現(xiàn)代人、現(xiàn)代人類個(gè)體和一只黑猩猩。這兩個(gè)數(shù)據(jù)集的系統(tǒng)發(fā)育樹與核基因組中普遍接受的初級(jí)拓?fù)涓叨纫恢�，即智人是包含尼安德特人和丹尼索瓦人的分支的姐妹群。這與基于形態(tài)學(xué)的系統(tǒng)發(fā)育分析形成鮮明對(duì)比，后者表明哈爾濱屬于智人分支的姐妹群，而不是尼安德特人。哈爾濱顱骨和丹尼索瓦人3形成一個(gè)高相關(guān)的單系群(Fig. 4)。這一結(jié)果與上述使用SAP的種群分配一致。
Fig. 4. Phylogenetic position of the Harbin cranium through Bayesian analysis (using the dataset with 64 pan-Africans).
文章小結(jié)
本研究首次將近乎完整的顱骨形態(tài)與丹尼索瓦人蛋白質(zhì)組關(guān)聯(lián)，為丹尼索瓦人提供了首個(gè)綜合形態(tài)研究證據(jù)，解答了“丹尼索瓦人長(zhǎng)什么樣”的問題。但仍然需要更多中晚更新世化石的分子采樣（尤其是古代DNA），以明確東亞丹尼索瓦人群體的分化、與其他古人類的互動(dòng)及對(duì)現(xiàn)代亞洲人群的影響。
參考文獻(xiàn)
[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
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu9677
作為生物信息學(xué)的領(lǐng)軍企業(yè)，BSI專注于蛋白質(zhì)組學(xué)和生物藥領(lǐng)域，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和先進(jìn)算法提供世界領(lǐng)先的質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析軟件和蛋白質(zhì)組學(xué)服務(wù)解決方案，以推進(jìn)生物學(xué)研究和藥物發(fā)現(xiàn)。我們通過基于AI的計(jì)算方案，為您提供對(duì)蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)和醫(yī)學(xué)的卓越洞見。旗下著名的PEAKS®️系列軟件在全世界擁有數(shù)千家學(xué)術(shù)和工業(yè)用戶，包括：PEAKS®️ Studio，PEAKS®️ Online，PEAKS®️ GlycanFinder, PEAKS®️ AB，DeepImmu®️ 免疫肽組發(fā)現(xiàn)服務(wù)和抗體綜合表征服務(wù)等。
Fig.1A Map of geographic locations and the hominin specimens studied by palaeoproteomic analysis
中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所付巧妹團(tuán)隊(duì)與河北地質(zhì)大學(xué)季強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作，基于質(zhì)譜技術(shù)，對(duì)河北地質(zhì)大學(xué)博物館收藏的哈爾濱古人類頭骨樣本進(jìn)行了深入的古蛋白質(zhì)組學(xué)研究，該頭骨的年代至少為14.6萬(wàn)年前。使用PEAKS® Online軟件中de novo輔助的DB search、PTM和SPIDER分析，共發(fā)現(xiàn)了95種內(nèi)源性蛋白質(zhì)，122個(gè)氨基酸突變位點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)發(fā)育分析共同揭示了該標(biāo)本歸屬于丹尼索瓦人，而此前的研究將其劃分為“Homo longi”新物種。近日，該研究成果已正式發(fā)表在SCIENCE雜志上，題為“The proteome of the late Middle Pleistocene Harbin individual”，填補(bǔ)了形態(tài)學(xué)和分子證據(jù)之間的空白，增強(qiáng)了我們對(duì)丹尼索瓦人的時(shí)空分布和進(jìn)化歷史的理解。
研究結(jié)果
內(nèi)源性蛋白組鑒定
提取標(biāo)本中的蛋白質(zhì)，經(jīng)質(zhì)譜檢測(cè)和PEAKS® Online分析，共鑒定出308,458個(gè)PSMs和20,455條肽[1]，然后基于肽段強(qiáng)度計(jì)算谷氨酰胺（Q）和天冬酰胺（N）的脫氨值，以此評(píng)估該個(gè)體中是否存在古蛋白質(zhì)。結(jié)果有59個(gè)蛋白質(zhì)同時(shí)具有可信的Q和N脫酰胺值，對(duì)這59個(gè)蛋白質(zhì)進(jìn)行聚類分析，以區(qū)分內(nèi)源性蛋白質(zhì)和污染蛋白質(zhì)（Fig. 2A）。角蛋白和胰蛋白酶等8種蛋白質(zhì)被視為污染物排除（Fig. 2A中的第1組）。其余51種蛋白質(zhì)顯示脫酰胺值升高（Q脫酰胺范圍22.56-100%,N脫酰胺范圍17.97-100%）（Fig. 2A中的第2/3/4組），被認(rèn)為是真正的古蛋白質(zhì)。此外，其他48個(gè)僅包含Q或N脫酰胺的蛋白質(zhì)中有44個(gè)顯示出可靠的Q/N脫酰胺值。因此，共檢測(cè)到95個(gè)脫酰胺值顯著升高的蛋白質(zhì)，被認(rèn)為屬于哈爾濱個(gè)體的內(nèi)源蛋白質(zhì)組。這95個(gè)蛋白質(zhì)的主要組成包括68.4%的基質(zhì)蛋白和12.6%的非基質(zhì)血漿蛋白（Fig. 2B），這與保存完好的骨骼標(biāo)本中描述的相當(dāng)[2]。
在14.6萬(wàn)年前的哈爾濱人顱骨中檢索到的95種蛋白質(zhì)和多達(dá)19,299條多肽（Fig. 1B），不僅增加了從可追溯到10萬(wàn)年以上的原始人中鑒定的蛋白質(zhì)組庫(kù)。與先前發(fā)表的古蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)相比，本研究鑒定的多肽數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于同時(shí)代Xiahe1下頜骨(>16萬(wàn)年前)、Xiahe2肋骨和Grotte du Renne骨碎片（Fig. 1B）。因此，本研究從哈爾濱古人類顱骨中構(gòu)建了一個(gè)信息量很大的古人類蛋白質(zhì)組庫(kù)。
Fig. 1B The protein and peptide counts identified from five specimens
Fig. 2. The proteomic profile of the Harbin cranium.
物種歸屬
為了在蛋白質(zhì)組學(xué)層面確定哈爾濱個(gè)體的種群分配，作者統(tǒng)計(jì)了相較于現(xiàn)代人、尼安德特人、丹尼索瓦人、黑猩猩、大猩猩和猩猩的各自獨(dú)有的，包含突變氨基酸的多肽數(shù)量。從95個(gè)內(nèi)源性蛋白質(zhì)組中篩選出122個(gè)單氨基酸突變位點(diǎn)（SAP），表明哈爾濱顱骨和丹尼索瓦人之間存在顯著關(guān)聯(lián)（Fig. 3）。
Fig. 3. The SAP assignments for the Harbin cranium
種群分配
隨后，作者篩選了4個(gè)丹尼索瓦人特有的突變位點(diǎn)，比較了這四個(gè)位點(diǎn)分別在哈爾濱、夏河、澎湖和丹尼索瓦人標(biāo)本中相對(duì)應(yīng)的氨基酸。根據(jù)Table 1，可以確認(rèn)哈爾濱個(gè)體顱骨的兩個(gè)雜合子位置：COL18A1 G1033R和COL26A1 R196G，及一個(gè)純合子COL4A3 R368H，均可以支持其屬于丹尼索瓦人種群。
系統(tǒng)發(fā)育重建
為了確定哈爾濱顱骨的更具體的分類學(xué)歸屬，作者重建了這些內(nèi)源性蛋白質(zhì)的共有序列以進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析。對(duì)于哈爾濱顱骨的每種內(nèi)源蛋白，如果滿足以下要求，則保留可靠的等位基因：PSM count ≥2、PSM ratio ≥10%、intensity ratio ≥10%[3]。用于系統(tǒng)發(fā)育分析的參考數(shù)據(jù)集是使用來自先前發(fā)表的高覆蓋率基因組的翻譯蛋白質(zhì)序列構(gòu)建的，包括丹尼索瓦 3、兩個(gè)尼安德特人、一個(gè)早期現(xiàn)代人、現(xiàn)代人類個(gè)體和一只黑猩猩。這兩個(gè)數(shù)據(jù)集的系統(tǒng)發(fā)育樹與核基因組中普遍接受的初級(jí)拓?fù)涓叨纫恢�，即智人是包含尼安德特人和丹尼索瓦人的分支的姐妹群。這與基于形態(tài)學(xué)的系統(tǒng)發(fā)育分析形成鮮明對(duì)比，后者表明哈爾濱屬于智人分支的姐妹群，而不是尼安德特人。哈爾濱顱骨和丹尼索瓦人3形成一個(gè)高相關(guān)的單系群(Fig. 4)。這一結(jié)果與上述使用SAP的種群分配一致。
Fig. 4. Phylogenetic position of the Harbin cranium through Bayesian analysis (using the dataset with 64 pan-Africans).
本研究首次將近乎完整的顱骨形態(tài)與丹尼索瓦人蛋白質(zhì)組關(guān)聯(lián)，為丹尼索瓦人提供了首個(gè)綜合形態(tài)研究證據(jù)，解答了“丹尼索瓦人長(zhǎng)什么樣”的問題。但仍然需要更多中晚更新世化石的分子采樣（尤其是古代DNA），以明確東亞丹尼索瓦人群體的分化、與其他古人類的互動(dòng)及對(duì)現(xiàn)代亞洲人群的影響。
參考文獻(xiàn)
[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
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu9677
作為生物信息學(xué)的領(lǐng)軍企業(yè)，BSI專注于蛋白質(zhì)組學(xué)和生物藥領(lǐng)域，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和先進(jìn)算法提供世界領(lǐng)先的質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析軟件和蛋白質(zhì)組學(xué)服務(wù)解決方案，以推進(jìn)生物學(xué)研究和藥物發(fā)現(xiàn)。我們通過基于AI的計(jì)算方案，為您提供對(duì)蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)和醫(yī)學(xué)的卓越洞見。旗下著名的PEAKS®️系列軟件在全世界擁有數(shù)千家學(xué)術(shù)和工業(yè)用戶，包括：PEAKS®️ Studio，PEAKS®️ Online，PEAKS®️ GlycanFinder, PEAKS®️ AB，DeepImmu®️ 免疫肽組發(fā)現(xiàn)服務(wù)和抗體綜合表征服務(wù)等。
聯(lián)系方式：021-60919891；sales-china@bioinfor.com
標(biāo)簽：
古人類標(biāo)本研究
內(nèi)源性蛋白組鑒定
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