IF50.5｜最古老现代人基因组揭示尼安德特人混血时间

Ranis与Zlatý kůň个体同属一个孤立小群体，其尼人血统源自所有非非洲人共享的一次混血事件，距今约4.5-4.9万年。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

现代人约4.5万年前抵达欧洲，与尼安德特人共存至少5000年。此前已从Zlatý kůň（捷克）和Bacho Kiro（保加利亚）等遗址获得早期现代人基因组，显示欧洲至少存在两个遗传上不同的群体。所有非非洲人携带约2-3%尼安德特人血统，但不同早期个体中尼人混血次数和来源存在差异：Ust'-Ishim、Oase 1和Bacho Kiro个体显示额外的近期尼人混血，而Zlatý kůň和田园洞人则无。Zlatý kůň个体属于已知最早从走出非洲谱系分离的支系，但仅有一个低覆盖度基因组，限制了对该群体的深入分析。Ranis遗址（德国）出土的骨骼碎片与LRJ石器技术相关，线粒体DNA显示其为早期现代人，但核基因组数据缺乏，无法确定其与Zlatý kůň及其他群体的关系。

科学问题

卡在哪里： 此前仅有Zlatý kůň一个低覆盖度基因组代表最早分离的走出非洲支系，无法可靠推断其群体结构、与Ranis个体的关系、以及其尼人血统是否来自与其他非非洲人相同的混血事件。Ranis遗址虽已通过线粒体DNA鉴定为现代人，但缺乏核基因组数据，无法确定其遗传归属和与Zlatý kůň的联系。

本文要回答： 通过分析Ranis和Zlatý kůň的高覆盖度核基因组，确定这些早期现代人的群体归属、亲缘关系、有效群体大小，并推断其尼安德特人混血事件的次数和时间，从而约束所有非非洲人共同祖先群体的存在时间。

技术路线

作者主要用了：全基因组测序、1240k捕获、古DNA损伤过滤、IBD分析、f3/f4统计、qpGraph、PSMC、admixfrog。

作者首先对Ranis遗址13个骨骼标本进行浅层鸟枪测序评估DNA保存，选取保存最好的Ranis13个体测至24倍覆盖度，同时将Zlatý kůň个体测至20倍覆盖度。对低覆盖度样本进行1240k和Archaic Admixture捕获，并利用古DNA损伤模式过滤污染。随后通过KIN和IBD分析确定个体间亲缘关系，用f3/f4统计和qpGraph构建群体关系模型，用PSMC和ROH推断有效群体大小，最后用admixfrog检测尼人片段并拟合混血模型，结合放射性碳测年确定混血时间。

图 1　Fig. 1。图1展示了本研究新测序的Ranis和Zlatý kůň标本（粉色阴影），以及已发表的早期现代人遗址分布。Ranis标本中虚线圆圈内的碎片属于同一个体（Ranis12），表明骨骼碎片在遗址中分布广泛。Zlatý kůň头骨照片显示其保存状况，其年龄基于尼人片段长度估计而非放射性碳测年。该图直观呈现了样本来源和地理背景。

核心亮点

亮点 1｜Ranis与Zlatý kůň属同一小群体

通过IBD分析发现Zlatý kůň与Ranis12和Ranis4分别共享301 cM和268 cM的长片段（>12 cM），超过Ranis个体间的共享量（<205 cM），推断Zlatý kůň是Ranis12和Ranis4的五至六级亲属。f3-outgroup统计显示Zlatý kůň与Ranis个体间的遗传亲和性高于与其他狩猎采集者，qpGraph模型支持两者形成一个共同分支，且该分支比Bacho Kiro和Ust'-Ishim更早从走出非洲谱系分离。因此，Ranis和Zlatý kůň属于同一小群体，称为Zlatý kůň/Ranis群体。

图 2　Fig. 2。图2a显示Ranis标本间的亲缘关系，包括Ranis4和Ranis6的母女关系，以及Ranis12的四个碎片属于同一个体。图2b的f3-outgroup热图显示Zlatý kůň与Ranis个体间的遗传亲和性高于其他早期现代人。图2c和2d展示IBD共享，Zlatý kůň与Ranis12和Ranis4共享的长片段（>12 cM）总量超过Ranis个体间共享量，支持Zlatý kůň是Ranis个体的远亲，并属于同一小群体。

亮点 2｜群体有效大小仅数百人

Ranis13和Zlatý kůň基因组中ROH>4 cM的片段分别占基因组的5.2%和7.2%，与Vindija尼人（7.0%）相当，但高于Ust'-Ishim（3.7%）。40-50%的ROH位于≥12 cM的片段中，表明近期存在强烈瓶颈。利用hapROH从低覆盖度Ranis基因组推断有效群体大小约300人（95% CI: 242-374），而基于两个高覆盖度基因组的IBD共享估计最近15代内有效群体约160人（100-240）。HLA位点纯合度也支持小群体，Ranis13在5个HLA位点中有3个纯合，Zlatý kůň有1个纯合。

图 3　Fig. 3。图3展示Ranis13和Zlatý kůň基因组中的尼人片段（深蓝色）和丹尼索瓦人片段（深橙色），以及非洲纯合状态（灰色）。图3c显示尼人片段长度衰减曲线，Ranis/Zlatý kůň的片段比Ust'-Ishim等更古老个体更长，表明混血发生时间更近。图3d汇总了不同方法估计的混血后世代数，集中在约80代，支持单次混血模型。

亮点 3｜尼人血统来自单次混血事件

admixfrog检测到Ranis13和Zlatý kůň基因组中尼人血统比例均为2.9%（95% CI: 2.8-3.0%），且尼人片段长度分布符合单次混血模型，而非多次混血。与Bacho Kiro和Oase 1个体不同，Ranis/Zlatý kůň个体没有近期尼人混血的证据。通过比较尼人片段位置与全球274个现代人和57个古人类，发现Ranis/Zlatý kůň的尼人片段与其他非非洲人显著共享，支持所有非非洲人的尼人血统来自同一次混血事件。

图 4　Fig. 4。图4为示意图，总结了主要尼人混血事件的时间（约45-49 ka）和走出非洲谱系的分化顺序。Zlatý kůň/Ranis群体在混血后不久即从主干分离，而其他非非洲人群体（包括东亚人、欧洲狩猎采集者等）在稍后分化。该图还标出了丹尼索瓦人混血发生在尼人混血之后，以及Basal Eurasian谱系的位置。

亮点 4｜混血事件距今约4.5-4.9万年

基于Ranis13和Zlatý kůň基因组中尼人片段长度衰减，估计混血发生在个体生前56-98代（约80代），结合Ranis13的放射性碳年龄（43,400-46,580 cal bp）和29年世代时间，将共同尼人混血事件定于45-49 ka。这一日期比之前基于现代人基因组的估计（52-57 ka、47-65 ka、41-54 ka）更精确，且意味着所有非非洲人的祖先在此时仍为一个统一群体。

亮点 5｜Zlatý kůň/Ranis群体未留下后代

通过f4统计检验发现Zlatý kůň/Ranis群体对后期狩猎采集者无显著遗传贡献，所有显著共享信号均可由非洲或Basal Eurasian血统解释。对Buran Kaya III个体的重新分析未能复现之前报道的Zlatý kůň血统信号（|Z|<3）。因此，该群体是走出非洲后最早分离的支系之一，但在后续欧洲人群中未留下可检测的遗传痕迹。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： 全基因组测序、1240k捕获、古DNA损伤过滤、IBD分析、f3/f4统计、qpGraph、PSMC、admixfrog
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 原文未给出公开 GitHub/GitLab 仓库
• 谁该点开原文： 古基因组学、群体遗传学、人类进化研究者，以及对尼安德特人混血和走出非洲过程感兴趣的生信人员。

带走一句

利用极古老基因组中较长的尼人片段和精确的放射性碳年龄，可以更准确地约束混血事件时间，并揭示早期现代人群体结构和动态。