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        安第斯深部群体历史的古基因组重建

        A Paleogenomic Reconstruction of the Deep Population History of the Andes.

        作者信息Nathan Nakatsuka, Iosif Lazaridis, Chiara Barbieri, Pontus Skoglund, Nadin Rohland, Swapan Mallick, Cosimo Posth, Kelly Harkins-Kinkaid, Matthew Ferry, Éadaoin Harney, Megan Michel, Kristin Stewardson, Jannine Novak-Forst, José M Capriles, Marta Alfonso Durruty, Karina Aranda Álvarez, David Beresford-Jones, Richard Burger, Lauren Cadwallader, Ricardo Fujita, Johny Isla, George Lau, Carlos Lémuz Aguirre, Steven LeBlanc, Sergio Calla Maldonado, Frank Meddens, Pablo G Messineo, Brendan J Culleton, Thomas K Harper, Jeffrey Quilter, Gustavo Politis, Kurt Rademaker, Markus Reindel, Mario Rivera, Lucy Salazar, José R Sandoval, Calogero M Santoro, Nahuel Scheifler, Vivien Standen, Maria Ines Barreto, Isabel Flores Espinoza, Elsa Tomasto-Cagigao, Guido Valverde, Douglas J Kennett, Alan Cooper, Johannes Krause, Wolfgang Haak, Bastien Llamas, David Reich, Lars Fehren-Schmitz
        PMID32386546
        期刊Cell
        发布时间2020-05-28
        DOI10.1016/j.cell.2020.04.015
        来源查看原文

        实验完整度

        高

        基于89个古人类全基因组数据，使用多种群体遗传学方法（f统计量、qpWave、qpAdm、DATES等）进行验证。

        主要模型

        89个安第斯古人类个体（约9000–500 BP） 现代南美人群基因组数据 阿根廷Pampas地区古个体（约1600 BP）

        重点核对

        古DNA真实性：胞嘧啶到胸腺嘧啶替换率>3%，mtDNA污染<5%，X染色体污染<3%，全基因组污染<5%；排除个体I1400、I01、MIS6 遗传分组：基于地理和考古时期，对2000 BP后个体按区域聚类，Cusco和Titicaca Basin单独处理 f4统计量显著性阈值：>3个标准误；qpWave和qpAdm模型使用Hotelling T2检验和block jackknife DATES估计混合时间：假设28.5年/代 主要模型：qpGraph和qpAdm使用Mbuti等外群，admixture graph拟合最大|Z|分数<3.1

        摘要

        关于中安第斯和南中安第斯地区的群体历史，尤其是对莫切、瓦里、蒂瓦纳科和印加等大型社会的影响，仍有许多未解问题。我们组装了89个个体的全基因组数据，这些个体可追溯至约9000–500年前（BP），重点关注国家社会兴衰时期。现今的遗传结构在5800 BP前已开始形成，随后出现北部高地与南部高地之间以及高地与海岸之间的双向基因流。我们检测到在约2000–500 BP之间相邻群体间混合极少，尽管我们在蒂瓦纳科和印加政体的核心地带确实检测到世界主义（不同祖先背景的人毗邻而居）。我们还揭示了连接安第斯与阿根廷的长距离移动，以及西北安第斯与亚马逊盆地的移动案例。

        实验结论

        提炼研究问题、关键发现与证据，快速把握文章的核心贡献。

        研究问题
        中安第斯和南中安第斯地区群体历史如何，特别是大型社会（如莫切、瓦里、蒂瓦纳科和印加）对遗传结构的影响。
        核心机制
        遗传结构在5800 BP前开始形成，随后出现北部高地与南部高地之间、高地与海岸之间的双向基因流；2000 BP后大部分地区遗传连续性显著，但在蒂瓦纳科和印加核心区出现世界主义。
        主要证据
        89个古人类全基因组数据（65个新报道）的f统计量、qpWave、qpAdm和DATES分析，显示南北结构形成于5800 BP前，2000 BP后区域遗传连续性，以及长距离移动和混合事件。
        研究意义
        揭示了安第斯地区9000年来的遗传景观变化，表明大型文化变迁主要由政治/领土重组驱动，而非大规模人口迁移。

        研究路径

        按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

        1

        古DNA样本采集与测序

        获取安第斯地区古代人类的基因组数据

        从骨骼和牙齿样本中提取DNA，构建双链或单链测序文库，进行UDG处理，富集mtDNA和约124万核基因组靶点，使用Illumina NextSeq500测序。

        2

        古DNA真实性与污染评估

        确保数据可靠性，排除污染个体

        评估片段末端C到T替换率、mtDNA污染、X染色体污染和全基因组污染，基于阈值剔除个体I1400、I01、MIS6。

        3

        群体遗传结构分析

        描述安第斯人群的遗传结构及其随时间变化

        使用ADMIXTURE、PCA、邻接树、MDS和f统计量分析遗传结构，发现遗传结构与地理相关，南北结构在5800 BP前开始形成。

        4

        基因流与混合事件检测

        识别群体间的基因流和混合事件

        使用f4统计量、qpWave、qpAdm和admixture graph分析南北高地间、高地与海岸间、安第斯与亚马逊间、安第斯与阿根廷间的基因流。

        5

        混合时间估计

        确定基因流发生的时间

        使用DATES软件基于等位基因协方差随遗传距离的衰减估计混合时间，如NorthPeruCoast约1478±252年前，CentralPeruCoast约1153±90年前。

        研究方法

        按研究目的归类文中使用的方法，便于定位所需技术。

        古DNA提取与测序
        古DNA提取双链文库构建单链文库构建UDG处理液相杂交捕获Illumina测序
        放射性碳定年
        AMS放射性碳定年放射性碳校准（OxCal）
        群体遗传学分析
        主成分分析（PCA）ADMIXTUREf3统计量f4统计量qpWaveqpAdmqpGraphDATES邻接树多维尺度分析（MDS）
        污染与真实性评估
        ContamMixANGSDContamLD损伤模式分析
        线粒体和Y染色体分析
        mtDNA单倍群分型（HaploGrep2）Y染色体单倍群分型最大简约树

        产品清单

        实验环节名称品牌货号
        古DNA提取Pfu Turbo Cx Hotstart DNA聚合酶Agilent Technologies6GG412
        Herculase II Fusion DNA聚合酶Agilent Technologies6GG679
        文库构建2x HI-RPM杂交缓冲液Agilent Technologies519G-G4G3
        古DNA提取0.5 M EDTA pH 8.0BioExpressE177
        文库构建Sera-Mag磁性Speed-beadsGE LifeScience651521G5G5G25G
        USER酶New England BiolabsM55G5
        UGINew England BiolabsMG281
        Bst DNA聚合酶2.0，大片段New England BiolabsMG537
        DNA纯化PE缓冲液浓缩液Qiagen19G65
        古DNA提取蛋白酶KSigma AldrichP6556
        盐酸胍Sigma AldrichG3212
        3M乙酸钠（pH 5.2）Sigma AldrichS1B99
        水Sigma AldrichW4502
        Tween-20Sigma AldrichP9416
        异丙醇Sigma Aldrich650441
        乙醇Sigma AldrichE1023
        5M NaClSigma AldrichS5150
        1M NaOHSigma Aldrich11463
        20% SDSSigma Aldrich5030
        文库构建PEG-8000Sigma AldrichB9510
        1 M Tris-HCl pH 8.0Sigma AldrichAM9B56
        dNTP混合物Thermo ScientificR1121
        ATPThermo ScientificR0441
        10x Buffer TangoThermo ScientificBY5
        T4多核苷酸激酶Thermo ScientificEK0032
        T4 DNA聚合酶Thermo ScientificEP0062
        T4 DNA连接酶Thermo ScientificEL0011
        qPCRMaxima SYBR Green试剂盒Thermo ScientificK0251
        杂交捕获50x Denhardt溶液Thermo Scientific15001B
        SSC缓冲液（20x）Thermo ScientificAM9110
        文库构建GeneAmp 10x PCR Gold缓冲液Thermo Scientific4319B14
        杂交捕获Dynabeads MyOne Streptavidin T1Thermo Scientific65602
        鲑鱼精子DNAThermo Scientific15632-011
        人类Cot-I DNAThermo Scientific15219011
        qPCRDyNAmo HS SYBR Green qPCR试剂盒Thermo ScientificF410L
        样本处理甲醇，ACS级VWREM-MX04B5-3
        DNA提取High Pure Extender from Viral Nucleic Acid LargeRoche5114403001
        DNA纯化MinElute PCR纯化试剂盒Qiagen28006
        测序NextSeq 500/550 High Output试剂盒v2（150循环）IlluminaFC-404-2002
        HiSeq 4000 SBS试剂盒（50/75循环）IlluminaFC-410-1001/2

        关键环节

        汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

        环节核对要点
        古DNA样本测序
        测序平台：Illumina NextSeq500；读长：2*76循环和2*7循环；UDG处理类型：UDG-half或UDG-plus
        阅读提示：STAR Methods中的Ancient DNA Laboratory Work部分
        古DNA真实性评估
        C到T替换率>3%；mtDNA污染<5%；X染色体污染<3%；全基因组污染<5%；剔除个体I1400、I01、MIS6
        阅读提示：Results中的Authenticity of Ancient DNA and Single Locus Patterns部分及STAR Methods
        群体遗传分组
        2000 BP后个体按区域聚类，Cusco和Titicaca Basin单独处理；使用qpWave和f4统计量检验异质性
        阅读提示：STAR Methods中的Grouping ancient samples into analysis clusters部分
        admixture graph建模
        使用qpGraph，外群Mbuti.DG，最大|Z|分数<3.1；移除I0044和I0042
        阅读提示：STAR Methods中的Admixture Graph analyses部分及Figure 4
        DATES混合时间估计
        假设28.5年/代；jackknife: YES
        阅读提示：STAR Methods中的DATES部分

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