古蛋白质组学让研究人员以新方式研究过去

首先是化石。拼凑、描绘和测量，骨骼为我们提供了首次审视遥远祖先的机会。但这只是一瞥。即使是当今最高分辨率的扫描，研究人员也只能研究他们能看到的结构和形状。

然后是古 DNA（aDNA）的提取和测序，其进步速度令人震惊。现在可以读取数万年前的基因组，至少是部分读取；古 DNA 已经发现了我们家族树中的一个新成员——丹尼索瓦人，并揭示了我们自己的物种是如何与他们和尼安德特人杂交的。

但是遗传密码是脆弱的，并且随着时间的推移容易受到微生物污染和降解。即使是最理想的地点，研究人员发现古 DNA 的潜在上限也不超过一百万年。

然而，古老的蛋白质提供了与古 DNA 相同的分子精度，同时又具有化石骨骼的坚固持久性。它们可能是解锁我们过去秘密的关键。

蛋白质的力量

古蛋白质的研究，即古蛋白质组学，是一门新兴的跨学科领域，它同样汲取化学、分子生物学、古生物学、古人类学和考古学的知识。它在理解人类进化方面的应用非常广泛：2016 年的一项研究使用了古老的胶原蛋白（一种常见的蛋白质）来确定无法识别的骨骼碎片属于尼安德特人；另一项研究则根据嵌入石器中的蛋白质残留物，确定了 25 万年前沙漠绿洲中屠宰的动物。

古蛋白质组学研究还可以基于共享或相似的蛋白质构建进化谱系，并揭示个体生理方面的某些特征，这些是古 DNA 可能无法告诉我们的。

德国莱比锡马克斯·普朗克研究所的进化人类学家 Frido Welker 说：“我们身体里的每一个细胞都拥有相同的基因蓝图。如果看我身体的肝细胞和我大脑的神经细胞，它们的 DNA 是相同的，但细胞本身却非常不同，因为它们是由不同的蛋白质组成的。正是这些不同的蛋白质让我们作为一个动物而运转。”

或者正如古蛋白质组学的先驱 Matthew Collins 所说：“DNA 就像是《大英百科全书》：它几乎包含了一切，所有的信息。而蛋白质更像是廉价的、一次性的报纸，详细描述了那一刻发生的事情，并一次又一次地重复它。”

由于古老的蛋白质比古 DNA 保存得更长——今年一月份，一个团队声称在距今 1.95 亿年的恐龙化石中发现了胶原蛋白的证据——研究人员得以从深邃的时代中解读这些廉价的分子报纸。

谁在“谁”？

古蛋白质组学的根源实际上早于其姊妹领域——古基因组学。在 20 世纪 30 年代，考古学家试图（但收效甚微）通过免疫测定法来确定木乃伊的血型，免疫测定法通过检测抗体-抗原反应来识别蛋白质。

几十年后，地球化学家发现构成蛋白质的氨基酸可以在化石中保存数百万年。但直到本世纪，古蛋白质组学才确立了自己作为一个强有力的研究领域。

2000 年，研究人员使用一种质谱仪在化石中识别蛋白质，与早期方法不同，这种质谱仪能使氨基酸序列更完整且易于解读。今天的大部分研究都采用了该方法的改进版本：质谱动物考古学（ZooMS）。该方法由 Collins 及其同事创建，并于 2008 年首次报道，ZooMS 通常使用从化石中提取的胶原蛋白。与耗时数年且成本高昂的古 DNA 研究不同，ZooMS 的速度正如其缩写所示。其结果的周转时间约为 24 小时，并且成本显著降低。

在 ZooMS 中，化石样本——通常只有面包屑大小——经过处理，将蛋白质提取出来，解开它们的折叠结构，然后将其切碎。这些碎片被导入液相色谱仪，进行分离。史密森尼学会使用 ZooMS 的分子古生物学家 Timothy Cleland 说，这种处理过程“与工厂里喷漆汽车的技术相同。他们会对需要喷漆的部件进行带电处理，然后，当喷漆时，液滴会被吸到部件上。虽然我们的过程要小得多，但却是纳米级的。”

这些零散并分离的蛋白质片段随后被放入质谱仪。“每种氨基酸的重量都不同，质谱仪在将其（碎片）粉碎时，也会测量其重量，”Welker 说。“这告诉我们最初存在哪些氨基酸。”

研究人员将这些原始数据输入程序，将其与蛋白质序列匹配，以构建物种档案。

随着科学家们测试该技术的极限，ZooMS 的使用量激增。例如，Cleland 能够识别一个博物馆藏品中自 1845 年以来一直保存的 12,000 年前巨型河狸头骨中的蛋白质。他的发现表明，ZooMS 可用于分析已存档数十年甚至数百年的材料。

2016 年，Welker、Collins 及其同事使用 ZooMS 确定了法国 Grotte du Renne 洞穴中无法识别的骨骼碎片属于尼安德特人，从而解决了关于哪个智人（Homo）物种大约在 4 万年前占据该遗址的争论。鉴于尼安德特人与我们自己的物种非常接近，研究人员能够识别出一种特定于我们进化近亲的蛋白质序列，这令人惊叹。

ZooMS 并非一种完美的方法。分析化石中的蛋白质需要破坏标本的一部分，这对于珍贵的古人类遗骸来说是不可思议的。

因此，ZooMS 最重要的应用可能是识别碎片化石，以及更多地了解古代人类的环境——尤其是他们创造的环境。2016 年，Collins 及其同事发表了关于近 400 万年前鸵鸟壳上蛋白质的证据——虽然与人类进化的联系可能并不明显，但人类已经利用鸵鸟壳数百万年时间来运输水和其他资源。这些简陋的临时容器可能蕴含着许多关于我们祖先的秘密。

Collins 说，他对其他团队对洞穴艺术进行古蛋白质组学研究也感到兴奋：这项研究可以帮助我们了解早期人类是如何通过在赭石和其他材料中添加粘合剂来制作颜料的，这暗示了他们的认知过程。

Collins 说：“不只是序列能告诉我们关于我们的信息。还有其他东西可以让我们了解人类是如何制造物品的。”

鸭子、犀牛

古蛋白质组学中的另一种方法对于理解早期人类环境尤为重要。与 ZooMS 一样，交叉免疫电泳（CIEP）速度很快——研究人员在两三天内就能得到结果——而且比古 DNA 测序便宜。CIEP 的结果也同样令人震惊。

2016 年，由维多利亚大学考古学家 April Nowell 和她的同事 Cam Walker（一家位于俄勒冈州波特兰市的 Archaeological Investigations Northwest Inc. 的生物人类学家）领导的一个团队，使用 CIEP 分析了在约旦 Shishan 沼泽一个 25 万年前的动物处理遗址发现的工具。研究人员从 20 件工具上的蛋白质残留物中识别出了在该遗址处理过的六种动物。

Nowell 说：“这是关于工具如何使用的第一个直接证据。突然之间，大量的知识被解锁了。”

通过石器上的蛋白质残留物来检测物种，对于像 Shishan 这样曾经是沼泽且骨骼不易保存的遗址尤为重要。

尽管 Shishan 的考古发掘尚未确定该遗址上是哪种人类物种，但 Nowell 的团队发现，他们食用的动物种类繁多，从亚洲象、犀牛到鸭子。这种多样性揭示了人类的认知能力和狩猎不同物种的能力。

Nowell 说：“这告诉我们很多关于他们的社会复杂性、他们的技术。你不会以同样的方式去猎杀一只鸭子和一只犀牛。”

与 ZooMS 不同，CIEP 是非侵入性和无损的。研究人员将富含抗体的血液血清或抗血清（靶向特定的抗原，例如犀牛中的抗原）应用于他们正在测试的样本。如果样本含有犀牛蛋白质，他们就会产生反应。

不幸的是，研究人员只能使用从现存物种收集的抗血清。这就是为什么 CIEP 通常通过科来识别，而不是属；属将在研究后期根据当时当地化石记录中出现的动物知识来推断。

Nowell 说：“我们使用现代分类群来查找古代分类群。如果某个物种没有留下任何后代，我们就找不到它。”

然而，一些批评者认为，CIEP 的真正问题更为基本。

曼彻斯特大学生物分子考古学家 Terry Brown 说：“蛋白质是由一系列氨基酸组成的，这些氨基酸折叠成特定于该蛋白质的链状结构。CIEP 和类似的免疫学方法‘是基于通过使用抗体来检测蛋白质，抗体通过形状识别蛋白质。如果蛋白质解折叠，抗体就无法准确识别它们。’”

然而，Shishan 研究的合著者 Walker 驳斥了这一担忧。他说，在文物上寻找蛋白质残留物时，通常的检测率仅为 5% 到 10%，但他对这些结果充满信心。Walker 会将每种抗血清与来自其他物种的样本进行交叉测试，以确保它只识别目标蛋白质，而不是提供假阳性结果。

Walker 通过电子邮件解释说：“当然，蛋白质会降解，解折叠可能是这个过程的一部分，‘但是，蛋白质不必完整才能被检测到。’”

成长的烦恼

与任何年轻的科学领域一样，都会有成长的烦恼。使用 ZooMS 的研究人员倾向于质疑 CIEP 的准确性；而 CIEP 的支持者则指出 ZooMS 的破坏性。

虽然 Collins 表示他“不是 CIEP 的忠实粉丝”，但他也很欣赏不同方法的支持者之间更大的合作将对所有人都有利。Collins 说：“在整个领域，我们每个人都有自己的‘锤子’——ZooMS，古 DNA——对我们来说，一切都像钉子。”

随着研究人员不断挑战古蛋白质分析的极限，可能会出现比 ZooMS 或 CIEP 更精细的方法。

Cleland 说：“我们是一个非常新的领域。我们才刚刚开始了解我们能做什么，以及我们能学到什么。”

Gemma Tarlach 是《Discover》的高级编辑。

[本文最初刊登于纸质版《超越 DNA》]