有关现代人种的所有线粒体DNA型，都是来自生活在约200000年前非洲群体中的一个共同祖先的主张，已引起了足够重视。为了深入研究这种观点，对从不同地区起源的189人中所取的两个mtDNA的可变片段进行了序列测定；189人当中包括了121位本地黑人。从一致mtDNA型中观察到的地理特征，为群体内所共有，不是群体间分担。与这些mtDNA顺序相互关联，而且还关系黑猩猩顺序的世系图，有着许多深的分枝，并全部导向非洲人的mtDNA。两项统计学实验，支持了有关人类mtDNA是非洲起源的说法。通过比较黑猩猩和人类顺序，对mtDNA的进化速度进行校正，置共同人类mtDNA祖先的年代在166000~249000年之间。如此以来，这些结果支持并拓展了关于人类mtDNA进化是起源自非洲的理论。
对不同生物基因所进行的分子研究，帮助生物学家们构建了与这些生物相互关连的世系图。这些图包括了连系祖先和子孙后代血统中分枝指令及分枝事件发生大约时间的有关信息。分子世系图对进化研究的成功，出自以前的两项主要发现：分子进化受到突变的支配，从自然选择的观点看，这些突变是不连贯的：在幸存谱系中，这些突变以相当稳定的速度积累。对第二点的最好解释，也许就是证实蛋白质编码基因缄默突变的进化速度，在植物、动物和细菌染色体基因的大多数中，几乎是一致的。
我们介绍利用线粒体DNA作为工具，阐明人种的血统史。可从两方面说明，为达此目的，该分子是备受重视：它是母系遗传的，因此，关系mtDNA型的世系图，可反映人类母系血统的历史；它的进化是很快的，所以，即使在来自紧密相关群体的mtDNA中，也出现许多差异。
以前，长恩（Cann）等人提供了世界范围内的勘测结果，提出所有现代人的mtDNA，可通过母系血统，追溯到200000年前非洲群体中一个祖先mtDNA。开始，由于概念不清，这种提法曾遭否决。现在，概念上的矛盾总算基本解决了。注意的重点在于，mtDNA数据，是否可以证实共同mtDNA祖先，是生活在200000前非洲群体中这种假说的问题。可以明显看出长恩等人研究中的不足，在于利用了间接方法比较mtDNA，即限制分析法：利用了大部分是由美国黑人组成的小样品代表本地黑人mtDNA；利用次等方法（即中点法），置共同mtDNA祖先在人类mtDNA型的世系图中：对于人类mtDNA是非洲起源的推论，没有进行统计学的证实；并且是以对人类mtDNA进化速度的不适当校准为前提。对所有上述问题的批评，在其他地方有介绍。我们在此声明以下几点：①对从189位个体中所取两个可变mtDNA片段顺序的研究结果；②一种关系这些顺序以及已公开黑猩猩顺序的世系图，从而允许利用高超方法（即外人集团法），置共同人类mtDNA祖先在世系图中；③有关mtDNA祖先地理起源的更精确的统计实验（包括一项新实验）；④基于黑猩猩和人类顺序的比较，估测了人类mtDNA祖先的生活时间。
顺序和地理特征
对照区（图1）是进化最快非编码DNA的一个由1122个碱基对组成的顺序，是人类mtDNA基因组的多形区。对该区的顺序进行分析，为区别开即使非常相关的mtDNA提供了最大可能。被研究的包括121位当地黑人在内的189位个体来自以下次 - 撒哈拉群体（和地方）：25位孔人（博茨瓦纳和纳米比亚）；27位赫雷罗人（博茨瓦纳）：1位Naron（博茨瓦纳）；17位Had7 a（坦桑尼亚）；U位约鲁巴人（尼日利亚）；20位东俾格米人（扎伊尔）；17位西俾格米人（中非共和国）；非洲群体的位置示于图2。68位另外个体，包括20位巴布亚一新几内亚人；1位当地澳大利亚人；15位欧洲人，24位亚洲人；8位非洲美国人。新几内亚人来自沿海和巴布亚 - 新几内亚的各个部分。澳大利亚人来自伯斯。就地区而言，欧洲人，亚洲人和非洲美国人都是异种的。
图1 人类mtDNA对照区，环代表环形人类mtDNA基因组。细线表示对照区的相对大小。所标示的是侧翼脯氨酸（Pro）和苯丙氨酸（Phe）转移RNA基因，是本项研究中扩增和顺序测定了的两个超变片段（阴影部分）及调节成分、顺序和复制的早熟末端相连（TAS）；轻股（LSP）和重股（HSP）起始转录的启动区，和启动替代环（D－环）的复制起源（ori）。
图2 本项研究所涉及到的自然非洲群体的位置。和数字对应的位置如下：1. 约鲁巴人；2. 西俾格米人；3. 东俾格米人；4. Hadza；5. 孔人、赫雷罗人和Naron。
mtDNA对照区的2个超变片段的DNA纯化和酶扩增，以及对扩增产物的顺序直接进行测定，如Vigilant等人的介绍。从对每一个体中610个核苷酸的分析比较中得知，替换出现在179个位点上，22个位点发生长度变化；称每一单独顺序为一个mtDNA型，在189位个体中的201个多形位点中，确定了135种型。
在189位个体的样品中，发现16个mtDNA型不止出现一次（表1）。在地理杂种的欧洲和亚洲人当中，没发现具有一致mtDNA型的人；具有一致mtDNA型的人，只在非洲人的个别群体内或巴布亚 - 几内亚群体内；在来自不同群体的人当中，不共有mtDNA型。一个明显的例外，就是1个约鲁巴人和1个非洲美国人具有一致mtDNA型。这样，就和非洲美国人血统主要是来自西非的观点相符合了。东、西俾格米人，在群簇上尽管是十分密切，但两者并不共担任何mtDNA型。我们的结论是：由对照区顺序所确定的mtDNA型，显示着强烈的地区特征，这和有关人类mtDNA变化的其他研究结果吻合。其他研究所用的技术，能够区别开紧密联系的mtDNA。
表1 发现在人群中出现一次以上的线拉体DNA型。型号按图3中的世系图编排。型63是一个约鲁巴人和一个非洲美国人。所有其他型仅在一个群体内出现。
世系图分析
利用极简捷方法，构建了与135种mtDNA型有关的血统世系图（图3）。尽可能使关系型的突变数减少，绘制出图中的分枝网络。为把网络转化成图，必须放入祖先或“根”，需要附加信息或理论。
在长恩等人的图中，用了中点寻根法。假定所有谱系具有相同的进化速度。但是，假如mtDNA在黑人中进化较快的话，按他们世系图的中点寻根，深的非洲谱系将不能指示非洲起源。沿着业已积累的更多突变，那些表面上深的非洲谱系，实际却是浅的。因此，考虑到mtDNA祖先的地理起源，世系图不可形成任何信息。
一个世系图寻根的较好方法，是外人集团法。因其并不依靠假定进化速度在所有谱系中是相同的。该法利用其他种的顺序（外人集团），例如非洲猿，置人类mtDNA祖先在网中。外人集团附属到世系图内与人mtDNA型相关的网络中，总突变数为最少的位置上。
图3 与本项研究中由189位个体中所发现的135种mtDNA型有关系的种族发生世系图。分枝上的标记指示mtDNA型的31个非洲簇；其余24个非非洲簇未标出；这个图是采用首先消除非信息核苷酸位置的办法构建的（非变化位置和无关世系图的分枝规律的同样多突变的那些变化位置）。然后通过计算机程序PAUP，利用119个信息位点确定分枝次序。该程序发现了528节的最小长度的100图，有许许多多这一长度的图（也许数千个）和可能更短的图。检验100种不同的图，差别仅在于某些末端细节的排列，因而有可能从中得出有关共同特征的结论，例如深的非洲分枝分居于根的左右。随机选择了长为528节，100个图中的其中一个，将其复制，这个图的119个信息位点的密度指数是0.34。利用黑猩猩mtDNA对照区顺序作为外人集团，为该世系图寻根；根据顺序差异，积累规模的百分比，如表2中确定的那样，已近似地放置了祖先结节（分枝点）。3个mtDNA型对（4和5，41和42，54和55）顺序差异为0.0%；因为在可变核苷酸位置上无差别；但它们在长度突变上有区别；因此考虑作为不同型的代表。mtDNA型的群体亲缘性如下：西俾格米人（1，2，37~48）；东俾格米人（4~6，30~32，65~73）；孔人（7~22）；非洲美国人（3，27。33，35，36，59，63，100）；约鲁巴人（24~26，29，51，57，60，63，77，78，103，106，107）：澳大利亚人（49）：赫雷罗人（34，52~56，105，127）；亚洲人（23，28，58，74，75，84~88，90~93，95，98，112，113，121~124，126，128）；巴布亚 - 新几内亚（50，79~82，97，108~110，125，129~135）；Hadza（61，62，64，83）；Naron（76）；欧洲人（89，94，96，99，101，102，104，111，1.14~120）。
附属点就是世系图中人类mtDNA祖先的位置。虽然长恩等人不能利用外人集团法，因为有关非洲猿mtDNA的高分辨率限制图是难得的。但是现在，来自一般黑猩猩的一个对照顺序已经公开。在图3中，利用了黑猩猩的这一顺序寻根。
显而易见，限制图研究的不足，在于利用18位非洲美国人作为可靠非洲人mtDNA源。支持这些型的非洲分类的证据已讨论过了。本研究极力扩大了次 - 撒哈拉非洲样品，并揭示18位非洲美国人组成的一个“亚簇”，其对照区顺序与土著黑人紧密相关。的确，正如以前曾提到的一样，一个一致mtDNA型，在非洲美国人和尼日利亚约鲁巴人之间分担（图3中型63）。这样，非洲美国人的多数可被视为是非洲mtDNA源。
地区起源
最有意义的，是推论了人类mtDNA最后共同祖先起源的地点。外人集团求根法，把世系图分成两个主要分枝。一个由6个非洲mtDNA型组成；而另一个由所有其余mtDNA型组成，包括许多非洲型在内。
这是以前根据限制分析所发现的确切图形，导致了关于人类mtDNA非洲起源的原始假说。而且，其余13个分枝（由16个型组成），无一例外导向非洲型。这14个深的非洲分枝还对于置共同人类mtDNA祖先在非洲提供了有力支持。可通过两种不同的方法，评估分枝图形的统计学意义。
获得位点法 首先要问，生产一个图，它的分枝规律暗示共同mtDNA祖先生活于某一地区而不是非洲，那么将需要多少附加突变呢？尤其是，这些突变数是否明显多于最短非洲起源世系图（图3）中的突变数呢？种系发生实验的获得位点法可以回答这个问题，通过比较每一个核苷酸位置和两个交替世系图所需要的突变数。如果在一个世系图的位置上需要的变化较少，那么这个图就被说成是获得了核苷酸位置。然后，通过二项分布，确定在获得位点上，两个图是否存在明显差异。
为使用该法检验非洲起源的理论，我们注意到，从图3中第二个主要分枝（7 - 135型）开始，移动最深的非非洲谱系到比第一个主要分枝（型1 - 6）较深的一个位置上，得到关系非非洲起源的最短的图。在该情况下，最深的非非洲谱系导向型23，是来自一个亚洲人。把型23向共同祖先移动（图3中箭头直接向下），形成一个图，需要的突变数比最短的非洲起源图多11个。如果2个图都和数据相符，获得位点实验确定，这11个突变比预期的是否要多。通过检验，非洲起源图获得13个位点，而另一个图只获得2个位点。显然，非洲起源图比关系非非洲起源的最短的另一个图来，需要的突变数明显地少。
地理位置法 检验非洲起源的第二种统计方法，与突变数无关。但就特殊的世系图来讲，却与地理位置的分布有关。该法集中注意了图3中开始14个分枝无一例外导向非洲mtDNA型这一事实。当考虑到所检验的mtDNA多数是非洲人这一事实时，地理位置实验估测，在世系图内14个最深分枝全是非洲人这一图形，可能是单独偶然出现。
在世系图中135个mtDNA型，分为全部是非洲人的31簇和全部是非非洲人的24簇。当已知的地理簇的总数为x+y，地理位置为x，根据超几何的分布，用以下方程求得开始几分枝的概率：P=[x/(x+y)] [(x-1)/(x+y-1)]…[(x-n+1)/(x+y-n+1)]
对最短的世系图来讲，n=14，x=13，y=24，所以P=0.00006。这样，观察到地理位置的分布概率为0.006%；开始14个分枝全部导向非洲人，可能是偶然出现。
因此，两项不同统计实验结果都和人类mtDNA非洲起源的假说相符，正如在种族发展世系图中由深的非洲分枝所证实的那样。基于这些实验，仅仅出现的深的分枝图形是不可能的，因为所研究个体的多数是非洲人。在开始的一项研究中发现了相同的结果，不足14%的个体是非洲人。也就是说，业已进行了努力扩大发现深非非洲分枝的尝试，通过本项研究当中所涉及到的个体，这些个体，以前发现在基于限制图分析图的最深的非非洲分枝上。另外，在对91位非非洲人的mtDNA对照区内顺序变化进行的一项独立研究中，也仅有10个非洲人支持非洲起源。
mtDNA顺序差异 发现mtDNA顺序差异，在非洲人中比在亚洲人或欧洲人中大（表2），从而支持了非洲起源的理论。表2所示的顺序差异的平均量直接反映出分离自同一群体的mtDNA的突变平均数。由于这些突变的出现积累，基本上是时间的函数。所以我们推论，在次 - 撒哈拉非洲较大的mtDNA顺序差异，指示该群体较古老。
表2，三项研究中所测非洲人、亚洲人和高加索人之间的顺序差异。1，本项研究；2，Horai和Hayasaka的研究；3，长恩等人的研究。顺序差异（百分比），是对来自群体的个体对进行比较，每100 bp核苷酸差异的平均数。给定群体数值之中的变化，主要反映出所研究分子区内的差异
进化速度
通过对人类和黑猩猩之间顺序差异的平均数量进行比较，估测了mtDNA对照区中可变片段的顺序分歧速度。人类和黑猩猩的对照区可变片段之间，平均明显的顺序差异是15.1%。因为某些核苷酸位置可能出现不止一次的突变，这是自黑猩猩和人类谱系分歧以来，几百万年中所出现进化量的低估数。尤其是，已知在灵长类mtDNA中，转换（嘧啶碱基突变成另外嘧啶；或嘌呤碱基突变成另外嘌呤）出现的频率较颠换（嘌呤碱基突变成嘧啶；或嘧啶突变成嘌呤）高许多。因此，很可能是没有充分表示出转换来。而且，对于超时间的突变记录的损失，有必要把多次受到的修补考虑在内。
考虑到在大约相同核苷酸位置上的多次替换，用以下方式校正黑猩猩和人类之间的15.1%的明显mtDNA顺序差异。从对最短世系图中突变分布的推论得知，转换以15：1的比率超过颠换；即每一次颠换可相当于15次转换，因而在黑猩猩和人类可变对照区片段之间，平均颠换数是26.4，那么相当于转换数是396；估计校正的顺序分歧量约为69.2%。
为了估测mtDNA进化速度，我们不仅需要知道黑猩猩和人类mtDNA对照区之间的顺序分歧量，而且需要知道人类和黑猩猩mtDNA分歧所发生的时间。这一分歧时间，大约估计在4~6百万年以前。这样以来，可变片段的分歧速度，大约是每百万年11.5%至17.3%。
共同祖先的年龄
可利用上述分歧速度，推测人类mtDNA最近共同祖先的生存时间。按顺序差异积累的比例，祖先相当于图3中最深的结节，被置于2.87%外。因此，祖先约生活在166，000~249，000年前。即使黑猩猩和人类分歧的时间远在9百万年以前，那么共同MtDNA祖先的日期仍仅在373000年前。166000~249000年前这一时间范围，和从限制图得出的140000~290000年前的时间范围相吻合：而且也和从一种蛋白质编码区的mtDNA顺序中估测的172000年前的情况相符；同时，和从对对照区顺序的最大相似性分析中得出280000年前的估测值相一致。
但是，以上对共同人类mtDNA祖先年龄的估测，应看作是初步的。因为在人类和黑猩猩之间的对照区内核苷酸替代形式的差别，可对多次替代的错误进行矫正。对人类对照区内顺序进化的速度，有必要进行种内校正，类似于基于限制图的种内校正，并不依靠比较人类和黑猩猩顺序。这将需要对来自发现已知时间群体中的许多mtDNA进行顺序测定。
现代人类起源
如今的研究结果，有力支持了关于在现代人血统中所发现的所有mtDNA型，都是来自约200000年前非洲群体中一个单一祖先mtDNA的观点。这样，有关mtDNA的证据，就和解剖现代人起源于非洲，在过去的200000内，其后从非洲迁出，定居在欧亚的说法相符了。从染色体基因和其产物中所获取的证据，也和非洲起源的假说一致。由于280000年有关人类mtDNA相互分叉的信息是缺乏的，所以只能推测，也许是从非洲迁移的人口，取代了欧亚居民，这些原来的欧亚居民，是由800000~1000000年前更早的非洲直立人迁移而来。这种替代理论，显然与一种根据化石证据的观点相悖。持替代观点的人认为，在现代和古代欧亚人群之间，存在着遗传连续性。但是，对支持非洲起源假说的化石记录，有另外解释。在根据化石记载决定否决还是承认非洲起源理论以前，必要使用统计学检验法，进行更多数量的形态学研究。来自化石记录的有效种族发生信息特征数量，也许是太少，不可进行明显的统计实验。
结论，我们的研究结果，对置我们共同mtDNA祖先在200000年前非洲的假说，又提供了有力支持。但是，mtDNA只不过是一个简单的遗传座位：有必要对Y染色体的适当节段和其他核DNA标记进行类似高分辨地研究，获得对我们人种进化历史的全面认识。
[Science，1991年9月27日]