人类的面部形态可通过一系列体质人类学特征描述，这些特征在不同人群、地理区域之间具有显著差异。揭示古人类(如尼安德特人和丹尼索瓦人)的面部特征一直是一个令人着迷的话题。然而，由于缺乏完整的化石遗迹，这项研究面临巨大挑战。随着头面部全基因组关联研究(GWAS)样本量的不断增加和表型组学方法的进步，越来越多的多态位点(SNPs)被发现与面部形态相关。此外，多基因评分(PRS)方法已广泛应用于现代人群研究，展现出利用遗传信息解读古人类面部形态的巨大潜力。
2024年7月11日，上海交通大学Bio-X研究院张曼菲副教授团队与中国科学院上海营养与健康研究所汪思佳研究员合作，在Journal of Genetics and Genomics在线发表题为“A multi-ancestry GWAS meta-analysis of facial features and its application in predicting archaic human features”的研究论文。该研究通过整合基因组数据和面部特征分析，为人类面部形态的进化史和适应性变化提供了有价值的见解。
该研究使用9674名东亚人和10,115名欧洲人的3D面部图像定量评估了78个面部特征，对面部特征的GWAS结果进行了大规模跨人群荟萃分析，确定了71个与面部特征相关的基因位点，其中包括21个新的位点。精细定位与效应分析发现，影响面部特征的常见变异效应在两个人群中基本一致；而人群间面部差异主要源于效应位点等位基因频率的差异。结合该研究与既往研究发现的面部特征相关位点及其效应，研究团队开发了一种利用遗传信息预测面部特征的“面部多基因评分(FPS)”模型，挑选了9个水平方向和垂直方向的表型特征进行模拟分析，并使用新疆混合人群数据进行独立验证。结果表明，FPS值与真实表型测量值显著相关，能较好地对极端值样本进行预测。通过将该模型拓展到千人基因组(1000G)的不同大陆群体中，发现FPSs与平均脸的表型值排序的一致性较高，在人群均值层面也具有一定的预测能力，进一步说明了FPS模型在不同人群中预测表型的可靠性。
基于公共数据库中的古DNA信息，该研究使用FPS模型对7名尼安德特人和1名丹尼索瓦人的面部特征进行预测，结合从已发表的化石证据中获取的体质人类学特征进行了验证。结果显示，尼人和丹人可能拥有相似的面部特征，包括更宽但更短的鼻子、更宽的内眦距离；而不同的是丹人可能拥有更小的嘴部宽度。近期一篇Nature[1]提示夏河丹人很可能长期生存在青藏高原地区，鼻部特征的预测结果与他们可能经历了高海拔环境适应的推论相一致。
利用FPS模型模拟的不同人群面部形态
A: 用于预测的9个面部特征(包括5个水平方向与4个垂直方向特征)；B: 预测1000G不同人群(EAS, EUR, AFR, SAS, AMR)的可视化面部形态；C: 基于古人基因组数据预测面部特征差异；D–F: 尼安德特人(D)、现代人(E)、丹尼索瓦人(F)可视化面部形态及骨骼特征的对应。
综上所述，该研究为古代和现代人类面部形态的遗传基础提供了新见解，不仅对理解人类面部形态的进化具有重要意义，对法医人类学、医学遗传学等领域也有应用价值。上海交通大学Bio-X研究院博士后杜思源和复旦大学附属儿科医院博士后陈洁仪为该论文共同第一作者。上海交通大学Bio-X研究院张曼菲长聘教轨副教授和中国科学院上海营养与健康研究所汪思佳研究员为该论文共同通讯作者。相关工作得到中国科学院先导科技专项、中国科学院青年团队计划和国家自然科学基金委等项目资助。
参考文献
[1] Xia, H., Zhang, D., Wang, J. et al. (2024). Middle and Late Pleistocene Denisovan subsistence at Baishiya Karst Cave. Nature. https://www.nature.com/articles/s41586-024-07612-9
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1673852724001814
