「空山不见人，但闻人语响。」
数百万年前的生命早已消失在历史的长河中，但它们的痕迹仍在沉寂的化石中低语。
如今，科学家们正从这些化石中提取出残存的蛋白质片段，揭示被时间遗忘的生命故事。通过古蛋白质组学（Paleoproteomics），我们得以超越DNA的局限，重建物种的演化历史，甚至为已消失的生物找到新的身份。
11月19日，哥本哈根大学环球研究所的研究人员在 Nature Reviews Molecular Cell Biology 发表评论文章，探讨了古蛋白质在古生物学研究中的应用和前景，尤其是在揭示数百万年前消失的脊椎动物物种的进化关系方面的独特优势。
相比DNA，蛋白质是在物理环境条件下高度稳定的分子，可长期保存。
古蛋白质不仅能够提供基因信息，还能为演化树的重建提供宝贵线索，特别是当DNA已经降解、无法使用时，蛋白质成为唯一可用的数据源。这一观点打破了长期以来蛋白质在分子系统学中的 “边缘化” 地位。
近几十年来，基于质谱分析的蛋白质组学技术使得对古代样本的蛋白质序列分析成为可能，给古生物学与考古学打开了一扇新的大门。
文章提到，古代胶原蛋白序列（collagen sequence）的恢复是古蛋白质组学早期的一个标志性应用。通过对南美洲本土有蹄类动物的胶原蛋白序列进行分析，研究人员成功地将这些物种归类到与奇蹄类而非非洲兽类相关的类别中。尽管胶原蛋白的变异性较低，无法精确区分近亲物种，但这项研究仍然为古生物学提供了新的视角。
更为突破性的发现来自于对数百万年前古化石的分析。例如，通过对保存于冻土中的犀牛牙釉质进行质谱分析，科学家成功恢复了超过2000万年前的蛋白质序列，打破了DNA研究的时间界限。
这一发现展示了古蛋白质组学在揭示远古物种演化关系中的巨大潜力，尤其是在DNA保存条件不佳的地区和样本中，蛋白质分析提供了宝贵的数据。
🦏 犀牛牙釉质样本中的蛋白质组保存
尽管古蛋白质组学在古生物学中展现出了前所未有的潜力，文章也指出了这一领域面临的一些挑战。
首先，蛋白质序列仅能反映基因组中的一小部分信息，主要是外显子的部分，而且由于基因冗余（genetic redundancy），蛋白质序列只记录了非同义突变（non-synonymous DNA mutations），因此不能全面反映基因组中的遗传变异。
其次，蛋白质表达具有组织特异性和过程特异性，这使得从单一组织中恢复的蛋白质数据可能无法提供完整的物种遗传信息。当前的技术只能恢复较短的蛋白质序列，这限制了其在精确构建古代物种演化树中的作用。
文章提到，在一些研究中，尽管能观察到不同个体之间的蛋白质序列变异，但却无法清楚地确定这些物种在演化树中的位置。例如，在对罗百氏傍人（Paranthropus robustus）的研究中，尽管研究人员从化石中恢复了蛋白质序列，但由于序列覆盖度不足，他们不能精确推断该物种在类人猿谱系中的位置。
为了解决这些问题，未来的研究需要依赖更高的蛋白质序列覆盖度，特别是来自生物矿化材料（如骨骼、牙本质等）的样本，这些样本能够提供更丰富的蛋白质组信息。
此外，文章提到，最近在加拿大北极地区发现的380万年前的马牙本质样本，恢复了超过60种蛋白质，并提供了约10,000个氨基酸的序列，这为古生物学提供了更高的分类学解析度，预示着古蛋白质组学在未来的应用前景。
展望未来，文章认为，古蛋白质组学将受益于技术的进一步突破，特别是高通量的氨基酸测序技术。
与古DNA研究类似，古蛋白质组学的进步也可能依赖于新型的高灵敏度测序技术。当前的质谱技术已经能在低皮摩尔至高阿摩尔范围内检测到蛋白质分子，但这种技术的敏感性仍然面临挑战，尤其是在处理高度降解和污染的古代蛋白质时。
未来，一些基于单分子蛋白质测序的新兴技术可能会大幅提升古蛋白质组学的研究能力，为科学家提供更长、更高质量的氨基酸序列，进而揭示古代物种更深层次的遗传多样性。
除了技术进步，文章还提到，古蛋白质组学的可持续发展至关重要。随着研究需求的增长，如何在不破坏珍贵化石的前提下，合理地提取和利用这些生物材料，是该领域面临的一个重要问题。微破坏性采样技术（如酸蚀法）为解决这一问题提供了新的思路，有望在保护化石材料的同时，实现更多样本的分析。
最后，文章强调了古蛋白质组学研究中的伦理问题，特别是在涉及全球合作与共享研究成果时。
过去，一些不道德的做法（如 “直升机研究”）让当地的研究者缺乏参与感，甚至使得研究成果只由发达国家的实验室掌控。随着古蛋白质组学研究的兴起，科学界应当更加注重与化石出产国的合作，推动学术资源和知识的共享，避免 “标本囤积” 的问题。
此外，文章建议，研究机构应优先考虑与标本所在国的研究者共同开展研究，推动学术界的去殖民化和民主化，确保当地科研人员在全球科研体系中的话语权。
有趣的「古蛋白质组学」
古蛋白质组学正在彻底改变我们研究 “过去” 的方式，为进化、系统发育学和遗传学提供前所未有的见解。基于质谱的蛋白质组为古蛋白质组学提供了更大的高通量能力。
2019年，中国科学院院士陈发虎领衔的兰州大学和中科院青藏高原研究所团队基于古蛋白质组学的分析结果，报道了16万年前夏河丹尼索瓦人下颌骨化石的研究成果。[1]
研究表明，早在现代智人到达该地区之前，古人类就在中更新世占据了青藏高原，并成功地适应了高海拔缺氧环境，该研究是丹尼索瓦人研究和青藏高原史前人类活动研究的双重重大突破。
夏河丹尼索瓦人下颌骨标本
2023年10月，兰州大学董广辉团队和厦门大学王传超团队在 Science Bulletin 上发表了考古学研究。
文章背景为东亚和东南亚交汇处约4900年前的一个重要历史时期，研究者利用多种分析方法（包括多重同位素、古蛋白质组学、放射性碳定年等），通过分析人类和动植物的遗骸，揭示了小米农业引入的时间、人类饮食习惯的变化以及农耕和狩猎采集者群体之间的生活方式差异。
发掘照片和墓葬中的人类遗骸
在古蛋白质组学分析环节，研究人员采用压力循环技术（PCT）从人类骨骼样本中提取蛋白质，使用基于质谱的PulseDIA方法采集系统而精确的古蛋白质组图谱，印证了从狩猎到农耕的过渡。
今年4月，马克斯·普朗克地质人类学研究所（Max Planck Institute of Geoanthropology）的研究人员在 Nature Communications 发文，介绍了中亚古代鸡的考古和分子证据。[3]
研究人员阐述了如何结合历史、考古、形态和古蛋白质组学分析来帮助识别古代鸡蛋壳碎片，这些碎片来自12个不同考古遗址、跨越1500年的材料。研究显示从公元前四世纪到中世纪期间，鸡在中亚南部广泛饲养，且很可能沿着古代丝绸之路传播。
恐龙蛋白质组学相关研究请查看《西湖欧米》往期文章：《我：恐龙扛狼 科学家：？》
1. https://www.nature.com/articles/s41586-019-1139-x
2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323007156?viaihub=
3. https://www.nature.com/articles/s41467-024-46093-2
