科学通报 | 北京大学遇赫/国家自然博物馆王婷联合综述古生物适应与演化的调控机制研究进展

近日，北京大学遇赫研究员、国家自然博物馆王婷助理研究员在《科学通报》发表了题为“表观遗传视角下的古生物适应与演化”的综述文章，系统梳理了古表观遗传学领域的研究进展。文章重点介绍了古代DNA甲基化、核小体定位等表观遗传信号的重建原理，总结了其在古人类形态演化、古动物生活史研究中的应用，并对该领域面临的挑战和未来发展方向进行了展望，为从基因表达调控层面理解古生物的适应与演化提供了新的思路。

古基因组学技术使得研究者能够直接获取古代个体的DNA序列。然而，仅凭DNA序列仍难以解释大量的表型差异。表观遗传作为连接基因型和表型的可逆调控层，通过塑造基因表达的时空差异影响了细胞命运和个体发育。古表观遗传学自2010年发展至今，为理解古生物演化过程中的表型差异提供了全新视角。

当前古表观遗传学中研究最成熟的信号是DNA甲基化和核小体定位。前者主要基于古DNA的脱氨损伤特征进行推断，近年来又发展出单链建库结合亚硫酸氢盐测序的方法来进行单碱基分辨率的直接检测；后者则利用古DNA片段长度和断点分布的周期性，间接重建核小体排列信息。

图1 利用C→T转换比例重建古代DNA甲基化的过程示意图（本图修改自参考文献Gokhman et al., 2014）

文章重点总结了现有研究在推断古人类形态演化机制和判断古动物生活史上的应用。在古人类研究中，人们通过重建尼安德特人与丹尼索瓦人的全基因组甲基化图谱并与现代人对比，识别出大量与骨骼发育相关的差异甲基化区域。其中，参与肢体发育的HOXD基因簇在古人类中呈现更高甲基化水平，可能与尼安德特人四肢短粗等形态特征有关。进一步的研究还通过甲基化变化预测出丹尼索瓦人具有面部延长、骨盆较宽、牙弓增大等形态特征，这些预测后来被化石发现所证实。此外，与颅面和喉部结构发育相关的基因在现代人中表现出独特的甲基化模式，为理解现代人面部形态与发声结构提供了新的证据。在古动物生活史研究中，有研究者基于现代表观遗传时钟的原理，推测出古代个体的生理年龄，还有人初步尝试利用机器学习从甲基化差异判定古马的去势状态。这些信息可以帮助人们了解古代的畜群管理或社会习俗。可以说，古表观遗传学正在为动物考古学打开新的解释空间。

文章也指出古表观遗传学面临的诸多挑战，并探讨了潜在的解决方案。首先，针对古DNA降解导致的数据低质量/低覆盖度，在实验层面可以采用超短片段回收优化与单链建库方法提高内源DNA的回收率，在计算层面可以整合同来源多样本信号来进行群体级甲基化重建。针对样本稀缺导致的统计功效不足，在建模层面，面向低重复数据时可以引入贝叶斯层级模型与收缩估计策略，面向覆盖不均的数据时可采用将深度信息直接纳入贝叶斯回归模型的思路，还可以通过生成模拟数据来评估假阳性率与差异检出力。由于古DNA大多来源于骨骼和牙齿，许多组织或细胞类型特异的表观遗传变化难以获取。随着跨组织推断方法的发展，研究者有望利用骨骼样本中在不同组织间相对保守的甲基化信号，间接预测部分软组织相关的基因表达调控模式。此外，研究者还在特殊保存体系下的古样本中验证了重建组蛋白修饰及染色质构象的可行性，拓宽了古表观遗传信号类型的局限。

最后，文章展望了古表观遗传学的发展前景。研究者可以通过环境响应位点的甲基化模式变化，反推古代个体可能的环境暴露与生理状态。此外，无需亚硫酸氢盐转换的第三代单分子测序技术的出现，如ONT和PacBio SMRT，也为未来直接读取古DNA碱基修饰信息提供了潜在可能。随着实验技术和算法模型的不断进步，古表观遗传学正逐步揭示古代生命的调控机制，为古生物适应与演化研究提供了更加丰富立体的研究框架。

北京大学生命科学学院遇赫研究员为本文的通讯作者，国家自然博物馆王婷助理研究员为本文的第一作者。该工作得到了北京市自然科学基金（5252005）、北京市科学技术研究院萌芽计划（26CE-BGS-20）的支持。

文章信息

王婷，遇赫. 表观遗传视角下的古生物适应与演化 . 科学通报, 2026. doi: 10.1360/CSB-2025-5786

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