Genetic Structure of a 2,500-Year-Old Human Population in China and Its Spotiotemporal Changes
중국 2,500년 전 인구 집단의 유전 구조와 시공간적 변화
Li Wang,*† Hiroki Oota,* Naruya Saitou,‡ Feng Jin,§ Takayuki Matsushita,|| and Shintaroh Ueda*
왕리(王麗), 히로키 오오타(Hiroki Oota), 나루야 사이토(Naruya Saitou), 금봉(金峰), 타카유키 마츠시타(Takayuki Matsushita), 신타로 우에다(Shintaroh Ueda)
*Department of Biological Sciences, Graduate School of Science, University of Tokyo, Tokyo, Japan; †Department of Medical and Animal Genetics, Institute of Genetics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China; Laboratory of Evolutionary Genetics, National Institute of Genetics, Mishima, Japan; §Laboratory of Human Genetics, Institute of Genetics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China; and ||Doigahama Site Anthropological Museum, Houhoku, Japan
*일본 도쿄, 도쿄대학 대학원 이학부 생물과학과
†중국 북경(北京), 중국과학원 유전학 연구소, 의학 및 동물 유전학과
‡일본 미시마(三島), 국립유전학연구소 진화유전학 연구실
§중국 북경(北京), 중국과학원 유전학 연구소, 인간유전학 연구실
||일본 호호쿠(豊北), 도이가하마 유적 인류학 박물관
[리뷰] 중화 쇼비니즘 경사도 평가: 5/10
25. Wang, L., Oota, H., Saitou, N. et al. (2000) ‘Genetic structure of a 2,500-year-old human population in China and its spatiotemporal changes’, Molecular Biology and Evolution, 17(9), pp. 1396–1400. doi:10.1093/oxfordjournals.molbev.a026405.
(1) 연구 개요 및 저자의 주장
이 연구는 산동 린쯔(Linzi) 지역에서 2,500년 전(춘추시대), 2,000년 전(한나라), 그리고 현대에 이르는 세 시점의 인구 집단 미토콘드리아 DNA(mtDNA)를 비교 분석했다. 연구의 가장 논쟁적인 결론은 2,500년 전 린쯔 인구가 지리적 분포와는 모순되게 “현대 동아시아인보다 현대 유럽인과 더 큰 유전적 유사성”을 보인다는 것이었다. 2,000년 전 인구는 그 중간적 특징을 보여, 저자들은 지난 2,500년간 이 지역의 유전적 구성에 “극적인 시공간적 변화”가 있었으며, 이는 대규모 이주의 결과일 수 있음을 시사했다.
(2) 편향성 분석 (중화 쇼비니즘 경사도: N/A – 방법론적 한계가 서사를 주도)
이 연구의 문제는 특정 이념적 편향이라기보다는, 기술적 한계가 만들어낸 서사적 공백을 당시 가용한 가장 극적인 거대 서사로 채웠다는 데 있다.
- 서사 프레이밍 (높은 편향성): ‘유럽계’와의 연결고리를 찾아냈다는 주장 자체가 산동의 역사를 극적인 장거리 동-서 상호작용의 결과로 프레이밍했다. 이는 지역 내부의 역동성보다 외부의 거대한 힘이 변화의 핵심 동인이라는 서사를 선점하는 효과를 낳았다.
- 모델 선택과 반례 취급 (높은 편향성): 짧은 mtDNA 초가변부위(HVR-I) 서열과 제한된 비교 데이터베이스라는 데이터의 한계는 강건한 모델링을 불가능하게 했다. Yao et al. (2003)이 동일 데이터를 재분석하여 정반대의 결론(남방 중국인과 유사)을 도출했다는 사실 자체가, 원 데이터가 어떤 단일한 결론도 뒷받침하기에 너무 모호했음을 증명한다.
c & d (적용 불가): 연구의 초점이 지리적 맥락이나 문화와의 결합보다는 유전적 유사성 자체에 맞춰져 있어 다른 기준들은 직접적으로 적용하기 어렵다.
(3) 결론 재구성: ‘서사적 유령’의 탄생과 그 교훈
린쯔 유적의 ‘유럽계’ 연결고리는 기술적 유아기에서 태어난 ‘서사적 유령(narrative phantom)’으로 이해하는 것이 타당하다. 이 연구의 진정한 의의는 제한된 데이터에 거대 서사를 섣불리 투영하는 것의 위험성을 경고하는 방법론적 교훈에 있다. 의도치 않게 이 연구는 산동의 역사를 설명하는 데 있어 ‘외부로부터의 극적인 유입’을 정상적인 설명 방식으로 만들었다. 이는 변화의 동인을 먼 ‘외부’에서 찾는 해석적 습관을 낳았고, 훗날 그 ‘외부’의 위치가 유라시아 스텝에서 황하 중류의 중원으로 바뀌었을 뿐인 ‘화살’ 모델의 개념적 선례가 되었다.
[논문요약]
2,500년 전 중국인의 유전자, 그 놀라운 변화의 역사
이 연구는 “오늘날 중국 산동성에 사는 사람들은 2,500년 전 그곳에 살았던 사람들의 직계 후손일까?”라는 흥미로운 질문에서 시작한다. 연구팀은 유전자를 통해 과거로 시간 여행을 떠났고, 우리가 상상하지 못했던 놀라운 인구 변화의 역사를 발견했다.
연구 방법: 유전자로 과거를 읽다
연구팀은 어떻게 과거 사람들의 유전자를 들여다볼 수 있었을까? 바로 고대 DNA 분석법을 사용했다.
- 미토콘드리아 DNA (mtDNA) 란?: 우리 몸의 세포에는 핵 DNA 외에도, 어머니에게서만 물려받는 특별한 DNA인 ‘미토콘드리아 DNA’가 있다. 이는 모계(어머니-딸-외손녀)로만 이어지는 ‘유전적 족보’와 같아서, 특정 집단의 뿌리와 이동 경로를 추적하는 데 매우 유용하다.
- 세 개의 시대, 한 곳의 장소: 연구팀은 중국 산동성의 고대 도시 임치(臨淄) 지역에서 세 시대의 사람들을 비교했다.
- 2,500년 전 사람들 (춘추전국시대)
- 2,000년 전 사람들 (한나라 시대)
- 오늘날의 사람들
충격적인 발견: 2,500년 전 그들은 유럽인이었다?
연구팀은 세 집단의 mtDNA를 비교하고 “누가 누구와 유전적으로 더 가까운지”를 분석했다. 그 결과는 모든 이의 예상을 뒤엎었다.
결론부터 말하면, 2,500년 전 임치 사람들은 오늘날의 동아시아 사람들보다 현대 유럽 사람들에게 유전적으로 훨씬 더 가까웠다. 시간이 흐르면서 이 지역의 인구는 완전히 다른 유전적 특성을 가진 집단으로 교체되었다.
그림으로 보는 유전적 변화의 증거
이 놀라운 결과는 논문의 그림들을 통해 더 명확하게 확인할 수 있다.
그림 1 & 2: 유전자 타입의 급격한 변화
과학자들은 mtDNA의 특징에 따라 몇 개의 큰 그룹(유전자 타입)으로 사람들을 분류한다. 2,500년 전 임치 사람들의 65%는 ‘그룹 IV’라는 유전자 타입을 가졌다. 하지만 이 그룹은 현대 동아시아인에게서는 거의 나타나지 않는, 오히려 유럽인에게서 더 흔히 보이는 타입이다.
반면, 오늘날 임치 사람들은 ‘그룹 I’과 ‘그룹 II’가 대부분인데, 이는 한국인, 일본인, 몽골인 등 다른 동아시아 사람들과 완전히 똑같은 특징이다. 즉, 2,500년 사이에 이 지역의 주된 유전자 타입이 완전히 바뀐 것이다.
그림 3 & 4: 인구 간의 유전적 거리
이 그림들은 인구 집단 전체를 하나의 ‘가족’으로 보고 서로 얼마나 가깝고 먼지를 보여주는 ‘인구 가족 나무’다.
- 놀라운 관계: 그림을 보면, 2,500년 전 임치(Linzi 2500 B.P.) 집단이 핀란드인(Finnish), 아이슬란드인(Icelander) 등 유럽 집단과 한 그룹으로 묶이는 것을 볼 수 있다.
- 분리된 동아시아 그룹: 반면, 현대 임치(Linzi present-day) 사람들은 한국인(Koreans), 일본인(Mainland Japanese) 등 다른 동아시아 집단과 한 그룹을 이룬다.
- 중간 단계: 흥미롭게도 2,000년 전 임치(Linzi 2000 B.P.) 사람들은 중앙아시아 집단과 가깝게 나타나, 유럽계와 동아시아계의 중간 단계처럼 보인다.
무슨 일이 있었을까?: 역사 속에서 답을 찾다
어떻게 한 지역의 사람들이 2,500년 만에 유전적으로 완전히 다른 집단으로 바뀔 수 있었을까? 연구팀은 그 답을 역사에서 찾는다.
바로 이주와 인구 교체다. 2,500년 전은 중국 역사상 가장 혼란스러웠던 춘추전국시대였다. 수많은 나라들이 서로 전쟁을 벌였고, 이 과정에서 대규모의 인구 이동이 있었을 것이다. 연구팀은 이 시기에 유럽계와 유전적 관련이 있던 고대 북중국인들이 살고 있었고, 이후 전쟁과 왕조 교체의 혼란 속에서 오늘날 동아시아인의 조상이 되는 새로운 집단이 유입되어 기존의 사람들을 대체했을 것이라고 추정한다.
결론
이 연구는 유전자를 통해 우리가 몰랐던 과거의 역사를 밝혀냈다. 중국 산동성 지역은 2,500년 전, 지금과는 유전적으로 완전히 다른 사람들이 살았던 땅이었으며, 역사적인 격변 속에서 대규모 인구 교체가 일어나 오늘날의 모습에 이르렀다는 충격적인 사실을 보여준다. 이는 인류의 역사가 우리가 생각하는 것보다 훨씬 더 역동적이고 복잡했음을 알려주는 중요한 발견이다.
[논문번역]
요약 Abstract
To examine temporal changes in population genetic structure, we compared the mitochondrial DNA (mtDNA) sequences of three populations that lived in the same location, Linzi, China, in different periods: 2,500 years ago (the Spring-Autumn era), 2,000 years ago (the Han era), and the present day. Two indices were used to compare the genetic differences: the frequency distributions of the radiating haplotype groups and the genetic distances among the populations. The results indicate that the genetic backgrounds of the three populations are distinct from each other. Inconsistent with the geographical distribution, the 2,500-year-old Linzi population showed greater genetic similarity to present-day European populations than to present-day east Asian populations. The 2,000-year-old Linzi population had features that were intermediate between the present-day European/2,500-year-old Linzi populations and the present-day east Asian populations. These relationships suggest the occurrence of drastic spatiotemporal changes in the genetic structure of Chinese people during the past 2,500 years.
시간에 따른 인구 집단의 유전 구조 변화를 알아보기 위해, 중국 임치(臨淄)라는 같은 장소에 살았던 세 집단의 미토콘드리아 DNA(mtDNA) 서열을 비교했다. 이 세 집단은 각각 2,500년 전(춘추시대(春秋時代)), 2,000년 전(한(漢)나라 시대), 그리고 현대의 사람들이다. 유전적 차이를 비교하고자 ‘방사형 하플로타입 그룹의 빈도 분포’와 ‘집단 간 유전적 거리’라는 두 지표를 사용했다. 분석 결과, 세 집단의 유전적 배경은 서로 뚜렷하게 달랐다. 지리적 위치와는 달리, 2,500년 전 임치(臨淄) 사람들은 현대 동아시아 사람들보다 현대 유럽 사람들에게 유전적으로 더 가까웠다. 2,000년 전 임치(臨淄) 사람들은 현대 유럽인/2,500년 전 임치(臨淄) 사람들과 현대 동아시아 사람들 사이의 중간적인 유전적 특징을 보였다. 이러한 관계는 지난 2,500년 동안 중국인의 유전 구조에 극적인 시공간적 변화가 있었음을 시사한다.
서론 Introduction
Molecular studies have identified genetic relationships among the present-day human populations. However, population history is still in controversy; migration and admixture in the past make it difficult to interpret these relations in a straightforward manner when examining the origin of modern humans and their expansion across the earth. Genetic research on ancient populations is therefore absolutely requisite for disclosing past events and investigating population history. Direct analysis of the Neanderthal DNA has supported the dispersal of modern humans out of Africa, showing its mtDNA sequence to be outside the variation of present-day human populations (Krings et al. 1997).
분자생물학 연구를 통해 오늘날 현생 인류 집단들 사이의 유전적 관계가 밝혀졌다. 하지만 인류의 역사는 여전히 논쟁거리다. 과거에 있었던 이주와 혼혈 때문에, 현생 인류의 기원과 전 세계로의 확산을 연구할 때 이러한 유전적 관계를 단순하게 해석하기 어렵다. 따라서 과거의 사건들을 밝히고 인류의 역사를 조사하려면 고대 인구 집단에 대한 유전 연구가 반드시 필요하다. 실제로 네안데르탈인 DNA를 직접 분석한 결과, 그 미토콘드리아 DNA 서열이 오늘날 현생 인류의 유전적 변이 범위 밖에 있다는 것이 밝혀져, 현생 인류의 아프리카 기원설을 뒷받침했다 (Krings et al. 1997).
Here we investigated temporal changes in genetic structure of human populations during the past 2,500 years in China using mtDNA sequences. All samples were collected in Linzi at the lower reaches of the Yellow River in China. In a previous study (Oota et al. 1999b), we examined DNA from the human remains excavated from the 2,000-year-old site of Linzi. In the present study, we extracted DNAs from the human remains excavated from the 2,500-year-old site of Linzi and the present-day Han Chinese living in Linzi. We determined nucleotide sequences of their mitochondrial D-loop regions and compared genetic structures of the three populations that lived in the same location in different periods by evaluating the frequency distributions of the radiating haplotype groups and the genetic distances among the populations, including the present-day Eurasian populations.
이번 연구에서는 미토콘드리아 DNA 서열을 이용해 지난 2,500년 동안 중국에서 인류 집단의 유전 구조가 시간에 따라 어떻게 변했는지 조사했다. 모든 샘플은 중국 황하(黃河) 하류에 있는 임치(臨淄)에서 수집했다. 이전 연구에서 2,000년 전 임치(臨淄) 유적지에서 발굴된 유골의 DNA를 분석한 바 있다 (Oota et al. 1999b). 이번 연구에서는 2,500년 전 임치(臨淄) 유적지에서 발굴된 유골과 현재 임치(臨淄)에 살고 있는 한족(漢族)의 DNA를 추출했다. 우리는 이들의 미토콘드리아 D-loop 영역의 염기 서열을 분석하고, 현대 유라시아 인구를 포함한 여러 집단과의 유전적 거리를 평가하여, 같은 장소에서 다른 시대에 살았던 세 집단의 유전 구조를 비교했다.
Key words: ancient DNA, mitochondrial DNA, Chinese genetic diversity population structure.
키워드: 고대 DNA, 미토콘드리아 DNA, 중국인 유전적 다양성, 인구 구조.
Address for correspondence and reprints: Shintaroh Ueda, De- partment of Biological Sciences, Graduate School of Science, Univer- sity of Tokyo, Tokyo 113-0033, Japan.
교신 및 별쇄본 요청 주소: 신타로 우에다(Shintaroh Ueda), 일본 도쿄 113-0033, 도쿄대학 대학원 이학부 생물과학과.
E-mail: sueda@biol.s.u-tokyo.ac.jp.
목차
고대 DNA 추출 및 증폭 Ancient DNA Extraction and Amplification
결과 및 논의 Results and Discussion
재료 및 방법 Materials and Methods
샘플 수집 Sample Collection
All three populations were sampled in Linzi, which is now part of the city of Zibo in Shandong Province of China. In a previous study (Oota et al. 1999b), we examined DNA from human remains found at the 2,000-year-old Yixi site of Linzi. In the present study, DNA was extracted from bone samples of 63 individuals collected at the 2,500-year-old Liangchun site of Linzi, after receiving authorization from the Cultural Relics Bureau of the People’s Republic of China. These sites have been dated to the Spring-Autumn (770 B.C.–403 В.С.) and the Han era (206 B.C.–A.D. 220) in China, respectively, on the basis of the archaeological finds (earthenwares) excavated. To examine the present-day population, we collected blood samples from 50 Han Chinese individuals living in Linzi whose parents were both born there.
세 집단의 샘플은 모두 현재 중국 산동성(山東省) 쯔보시의 일부인 임치(臨淄)에서 채취했다. 이전 연구(Oota et al. 1999b)에서 2,000년 전 임치(臨淄)의 이시(Yixi) 유적지에서 발견된 유골 DNA를 분석했다. 이번 연구에서는 중화인민공화국 문물국의 허가를 받아 2,500년 전 임치(臨淄)의 양춘(梁春) 유적지에서 수집한 63명의 유골 샘플에서 DNA를 추출했다. 이 유적지들은 함께 발굴된 토기 등의 유물을 근거로 각각 중국의 춘추시대(春秋時代)(기원전 770-403년)와 한(漢)나라 시대(기원전 206-서기 220년)의 것으로 확인됐다. 현대 인구를 조사하기 위해, 부모님이 모두 임치(臨淄) 출생인 현지 거주 한족(漢族) 50명에게서 혈액 샘플을 채취했다.
고대 DNA 추출 및 증폭 Ancient DNA Extraction and Amplification
The bone samples were exposed to ultraviolet radiation to destroy possible contaminating DNA on their outer surfaces. Then, the DNA was extracted from the spongy layer of the bone as previously described (Kurosaki, Matsushita, and Ueda 1993; Oota et al. 1995, 1999a, 1999b). PCR amplification was carried out in 40 µl of a reaction mixture containing 10 mM Tris-HCl (pH 8.3), 2 mM , 50 mM KC1, μM each of dNTP, 20 pmol of each primer, and 2 U of Taq polymerase (Ampli-Taq Gold, PE Biosystems). PCR began with at ∘C for 9 min, followed by 40 cycles of ∘C for 30 s, ∘C for 30 s, and ∘C for 1 min. To verify the reliability of the experiments, negative controls containing all of the reagents but without remains/DNA were included in each DNA extraction/PCR run. PCR products purified on spin columns (S-300, Pharmacia) were directly sequenced for both strands using a commercial kit (FS Taq DyeDeoxy Terminator Cycle Sequencing Kit, PE Biosystems).
뼈 샘플의 외부 표면에 묻어 있을 오염 DNA를 제거하기 위해 자외선을 쬐었다. 그런 다음, 이전에 발표된 방식에 따라 뼈의 해면질 층에서 DNA를 추출했다 (Kurosaki, Matsushita, and Ueda 1993; Oota et al. 1995, 1999a, 1999b). PCR 증폭은 10 mM Tris-HCl (pH 8.3), 2 mM , 50 mM KCl, 각 200 µM의 dNTP, 각 20 pmol의 프라이머, 그리고 2 U의 Taq 중합효소(Ampli-Taq Gold, PE Biosystems)를 포함한 40µl 반응 혼합물에서 수행했다. PCR은 95°C에서 9분간 초기 반응 후, 94°C에서 30초, 55°C에서 30초, 72°C에서 1분으로 구성된 사이클을 40회 반복했다. 실험의 신뢰성을 확인하고자, DNA 샘플을 넣지 않은 시약만으로 구성된 ‘음성 대조군’을 모든 DNA 추출 및 PCR 과정에 포함시켰다. 증폭된 DNA 산물은 스핀 컬럼(S-300, Pharmacia)으로 정제한 후, 상용 키트(FS Taq DyeDeoxy Terminator Cycle Sequencing Kit, PE Biosystems)를 이용해 양쪽 가닥의 염기 서열을 직접 분석했다.
계통 분석 Phylogenetic Analysis
The phylogenetic network of haplotypes and the population tree were constructed using the network construction (Bandelt et al. 1995) and the neighbor-joining (Saitou and Nei 1987) methods, respectively. In addition to the nucleotide sequences determined in this study, we used mtDNA sequence data from four central Asian (Comas et al. 1998) and five European (Richards et al. 1996) present-day populations and the data from our previous paper (Oota et al. 1999b). Nucleotide diversity (the mean of pairwise nucleotide differences per site) and evolutionary distances (net values of nucleotide substitutions) between populations (Nei 1987) were calculated using the program dnapopdist, which was newly developed for this study. The neighbor-joining tree was drawn using the program Dendromaker, version 4.1 (Imanishi 1998), and the midpoint rooting method.
DNA 유형(하플로타입) 간의 관계를 보여주는 계통 네트워크와 인구 집단 간의 관계를 보여주는 계통수는 각각 ‘네트워크 구성법'(Bandelt et al. 1995)과 ‘이웃-연결법'(Saitou and Nei 1987)을 사용해 만들었다. 이번 연구에서 분석한 염기 서열 외에도, 현대 중앙아시아 4개 집단(Comas et al. 1998)과 유럽 5개 집단(Richards et al. 1996)의 미토콘드리아 DNA 서열 데이터, 그리고 우리 이전 논문(Oota et al. 1999b)의 데이터를 함께 사용했다. 인구 집단 내의 유전적 다양성(염기쌍 차이의 평균)과 집단 간의 진화적 거리(순수 염기 치환 값)는 이번 연구를 위해 새로 개발한 ‘dnapopdist’라는 프로그램을 이용해 계산했다(Nei 1987). 이웃-연결 계통수는 ‘Dendromaker’ 프로그램 4.1 버전(Imanishi 1998)과 ‘중간점 뿌리 설정법’을 이용해 그렸다.
결과 및 논의 Results and Discussion
Ancient DNA samples are usually damaged and fragmented, and sequences of less than a few hundred nucleotides should be amplified by PCR. Some unknown molecules are difficult to remove and can inhibit PCR when extremely small amounts of DNA extracted from ancient remains are being amplified. Overlapping DNA regions must be sequenced to assess the reliability of the results. Therefore, we analyzed hypervariable region I of the mtDNA by PCR using two sets of primers that amplify the overlapping MT1 (positions 16190–16422) and MT4 (positions 16135–16366) regions.
고대 DNA 샘플은 보통 손상되고 조각나 있어, PCR 증폭은 수백 개 염기 미만의 짧은 서열로 이루어져야 한다. 고대 유골에서 추출한 DNA는 양이 극히 적어, 제거하기 어려운 미지의 분자들이 PCR 반응을 방해할 수 있다. 결과의 신뢰도를 평가하려면 서로 겹치는 DNA 영역의 서열을 분석해야 한다. 따라서 우리는 미토콘드리아 DNA의 과변이 1영역(hypervariable region I)을 분석하기 위해, 서로 겹치는 MT1(16190–16422)과 MT4(16135–16366) 영역을 증폭하는 두 쌍의 프라이머를 사용했다.
We successfully amplified and sequenced both of these DNA sequences for 40 of the 63 2,500-year-old remains from the Liangchun site. The nucleotide sequences of both strands in each DNA region were completely complementary in all of them. However, the nucleotide sequences of the overlapping regions of MT1 and MT4 were not identical in 6 of the 40 samples; those six samples were excluded from the subsequent analysis. Since heteroplasmy due to length variation has been reported for mtDNA sequences (Bendall and Sykes 1995), a cytosine tract (positions 16184–16193) was excluded from the comparison, as it was in our previous analysis of DNA from 2,000-year-old human remains (Oota et al. 1999b). The nucleotide sequence data reported in this paper will appear in the DDBJ/EMBL/GenBank nucleotide sequence databases with the accession numbers AB031108-AB031191.
양춘(梁春) 유적지에서 나온 2,500년 전 유골 63점 중 40점에서 두 DNA 서열을 모두 성공적으로 증폭하고 분석했다. 모든 샘플에서 각 DNA 영역의 양쪽 가닥 염기 서열은 완벽하게 상보적이었다. 그러나 40개 샘플 중 6개는 MT1과 MT4의 중첩 영역 서열이 일치하지 않아 후속 분석에서 제외했다. 미토콘드리아 DNA 서열에서는 길이 변이로 인한 이형질성(heteroplasmy)이 보고된 바 있으므로(Bendall and Sykes 1995), 2,000년 전 유골 분석 때와 마찬가지로 특정 시토신 반복구간(16184-16193)은 비교에서 제외했다(Oota et al. 1999b). 이 논문에서 보고된 염기 서열 데이터는 AB031108-AB031191 등록번호로 DDBJ/EMBL/GenBank 데이터베이스에 공개될 것이다.
In ancient DNA analyses, both the sequence length that can be amplified and the number of samples available for analysis are limited, problems that are not encountered in studies of present-day DNA samples. Therefore, we first constructed a phylogenetic reference network using the 185-bp MT1 and MT4 nucleotide sequences (positions 16194–16378) of 1,298 present-day Asian and circum-Pacific individuals. Then, we traced the genealogy of the mtDNA sequences of the ancient human remains. Based on the phylogenetic network, we identified six radiation groups. These six groups can be characterized by the five nucleotide sites 16217, 16223, 16304, 16319, and 16362 (see Oota et al. 1999h; more details will be published elsewhere). Groups I-IV have sequences TTTGT, TTTGC, TTTAC, TCTGT, CCTGT, and TCCGT, respectively. We would like to note that haplotype 1 of figure 1 is the same as the Cambridge reference sequence (CRS) (Anderson et al. 1981). It should also be noted that haplotype 7 and its offspring are not clearly classified into group II according to those five nucleotide sites because of a reticulation (see fig. 1). We did find the same phylogenetic relationship for the longer sequence data as for the 185-bp sequence data.
고대 DNA 분석은 증폭 가능한 서열의 길이와 분석 가능한 샘플 수가 제한적이라는 문제를 안고 있으며, 이는 현대 DNA 샘플 연구에서는 마주치지 않는 문제다. 따라서 우리는 먼저 현대 아시아 및 환태평양 지역 1,298명의 185bp 길이 MT1 및 MT4 염기 서열(16194–16378)을 이용해 기준이 되는 계통 네트워크를 만들었다. 그런 다음, 이 네트워크를 이용해 고대 유골의 미토콘드리아 DNA 계보를 추적했다. 이 계통 네트워크를 바탕으로 6개의 방사형 그룹(radiation groups)을 확인했다. 이 6개 그룹은 5개의 특정 염기 위치(16217, 16223, 16304, 16319, 16362)로 특징지을 수 있다(자세한 내용은 추후 발표 예정, Oota et al. 1999h 참조). I-VI 그룹은 각각 TTTGT, TTTGC, TTTAC, TCTGT, CCTGT, TCCGT 서열을 가진다. 그림 1의 하플로타입 1은 케임브리지 표준 서열(CRS)과 동일하다(Anderson et al. 1981). 또한 하플로타입 7과 그 파생형들은 망상 구조로 인해 앞서 언급한 5개 염기 위치 기준으로는 II 그룹으로 명확히 분류되지 않는다(그림 1 참조). 더 긴 서열 데이터를 사용했을 때도 185bp 서열 데이터와 동일한 계통 관계를 확인했다.
그림 1. 계통 네트워크. 빈 원은 현대 아시아 및 환태평양 인구에서 발견되는 고유한 mtDNA 유형을, 채워진 원은 해당 인구에는 없는 mtDNA 유형을 나타낸다. 음영 처리된 원은 중국 임치(臨淄) 지역의 2,500년 전부터 현대까지의 사람들에게서 보이는 mtDNA 유형이다. 더 큰 원은 주요 유형(backbone types) 1, 3, 7, 9, 13, 25, 113, 138, 173을 나타낸다. 가지 위의 숫자는 치환이 일어난 염기 위치다(이 숫자에 16,000을 더하면 CRS 기준 위치가 된다). 네트워크상의 망상 구조는 서로 호환되지 않는 염기 배열이 존재함을 나타낸다.
Based on this present-day reference network, we constructed a network of the mtDNA sequences of the two ancient populations and the present-day people of Linzi (fig. 1). Ten individuals of the 2,500-year-old Linzi population had mtDNA type with 16274A; this mtDNA type was not found in either the 2,000-year-old or the present-day Linzi populations. Sixty-five percent (22 of 34) of the individuals of the 2,500-year-old Linzi population belong to group IV, whereas none of the 2,000-year-old population and only 8% of the present-day Linzi population belong to that group. In contrast, 38% (5 of 13) of the 2,000-year-old Linzi population belong to group VI, compared with only 9% and 10% of the 2,500-year-old and the present-day Linzi populations, respectively. The 2,000-year-old and present-day Linzi populations showed high frequencies for group I (23% and 30%, respectively) and for group II (31% and 36%, respectively). Other present-day east Asian populations, including Mongols, Koreans, and mainland Japanese, also have high frequencies for groups I and II (fig. 2).
이 현대 기준 네트워크를 바탕으로, 두 고대 인구 집단과 현대 임치(臨淄) 사람들의 미토콘드리아 DNA 서열 네트워크를 구축했다(그림 1). 2,500년 전 임치(臨淄) 인구 10명은 16274A 돌연변이를 가진 mtDNA 유형을 보였는데, 이 유형은 2,000년 전이나 현대 임치(臨淄) 인구에서는 발견되지 않았다. 2,500년 전 임치(臨淄) 인구의 65%(34명 중 22명)가 IV 그룹에 속했지만, 2,000년 전 인구 중에는 아무도 이 그룹에 속하지 않았고 현대 임치(臨淄) 인구에서는 단 8%만이 속했다. 반면, 2,000년 전 임치(臨淄) 인구의 38%(13명 중 5명)는 VI 그룹에 속했으며, 이는 2,500년 전과 현대 임치(臨淄) 인구에서 각각 9%와 10%에 불과한 것과 비교된다. 2,000년 전과 현대 임치(臨淄) 인구는 I 그룹(각각 23%, 30%)과 II 그룹(각각 31%, 36%)에서 높은 빈도를 보였다. 몽골인, 한국인, 일본 본토인을 포함한 다른 현대 동아시아 인구 역시 I 그룹과 II 그룹에서 높은 빈도를 보인다(그림 2).
그림 2. 동-중앙 유라시아 대륙에 분포하는 6개 방사형 그룹의 지리적 분포. 방사형 그룹 I–VI가 왼쪽부터 오른쪽으로 표시되어 있다.
Heterogeneity of substitution rate for the human mtDNA D-loop region has been known (e.g., Excoffier and Yang 1999; Meyer, Weiss, and von Haeseler 1999), and sites with high rates, such as 16223, 16311, and 16362, in fact caused reticulations, observed in the phylogenetic network of figure 1. Backward mutations occurring at those high-rate sites may cause erroneous classification of the six groups defined above. However, relative substitution rates of those sites are about four times as high as the average rate (Excoffier and Yang 1999), and the effect of “contamination” caused by backward mutations may be relatively small. In any case, frequency estimates of the six groups should be considered as a rough measure for comparing different human populations.
인간 미토콘드리아 DNA D-loop 영역의 치환율이 위치마다 다르다는 것은 알려져 있다(Excoffier and Yang 1999; Meyer, Weiss, and von Haeseler 1999 등). 실제로 16223, 16311, 16362와 같이 치환율이 높은 위치들은 그림 1의 계통 네트워크에서 관찰되는 망상 구조를 유발했다. 이러한 고속 변이 위치에서 발생하는 역돌연변이는 위에서 정의한 6개 그룹의 분류에 오류를 일으킬 수 있다. 그러나 해당 위치들의 상대적 치환율은 평균율보다 약 4배 높은 정도이며(Excoffier and Yang 1999), 역돌연변이가 유발하는 “오염” 효과는 비교적 작을 수 있다. 어쨌든, 6개 그룹의 빈도 추정치는 여러 인구 집단을 비교하기 위한 대략적인 척도로 간주해야 한다.
We also estimated the nucleotide diversity within each population and the genetic distances between the populations. We used the 172-bp mtDNA sequence data for comparison due to the lack of 13-bp data (positions 16366–16378) in the present-day European populations. The nucleotide diversities were 0.020, 0.022, and 0.027 for the 2,500-year-old, the 2,000-year-old, and the present-day Linzi populations, respectively. Nucleotide diversities within the other present-day populations were similar (range 0.011–0.027). The smallest genetic distance for the present-day Linzi population was that from the Mongols, followed by those from mainland Japanese and Koreans. Surprisingly, the three smallest genetic distances for the 2,000-year-old Linzi population were from the present-day central Asian populations: the Kirghiz (Sary-Tash), followed by the Kazakh and the Uighurs. Even more surprisingly, the three smallest genetic distances for the 2,500-year-old Linzi population were from the Turkish, Icelander, and Finnish, rather than from the east Asian populations. The results indicate that the genetic backgrounds of the three populations in Linzi are distinct from each other. Figure 3 shows the phylogenetic tree based on those genetic distances; present-day populations from east Asia, including the present-day Linzi population, form a cluster, which is consistent with their geographical distribution. However, the 2,000-year-old Linzi population lies outside the present-day east Asian cluster, and the 2,500-year-old Linzi population clusters with the present-day European populations.
우리는 또한 각 인구 내의 염기 다양성과 인구 간의 유전적 거리를 추정했다. 현대 유럽 인구 데이터에는 13bp 길이의 서열(16366–16378)이 없어, 비교를 위해 172bp 길이의 mtDNA 서열 데이터를 사용했다. 염기 다양성은 2,500년 전, 2,000년 전, 그리고 현대 임치(臨淄) 인구에서 각각 0.020, 0.022, 0.027이었다. 다른 현대 인구 내의 염기 다양성도 유사했다(0.011–0.027 범위). 현대 임치(臨淄) 인구와 가장 작은 유전적 거리를 보인 집단은 몽골인이었고, 그 뒤를 일본 본토인과 한국인이 이었다. 놀랍게도, 2,000년 전 임치(臨淄) 인구와 가장 작은 유전적 거리를 보인 세 집단은 현대 중앙아시아 인구인 키르기스인(사리타시), 카자흐인, 위구르인이었다. 더욱 놀라운 것은, 2,500년 전 임치(臨淄) 인구와 가장 작은 유전적 거리를 보인 세 집단이 동아시아 인구가 아닌 터키인, 아이슬란드인, 핀란드인이었다는 점이다. 이 결과는 임치(臨淄)의 세 인구 집단의 유전적 배경이 서로 뚜렷하게 다르다는 것을 나타낸다. 그림 3은 이러한 유전적 거리에 기반한 계통수를 보여준다. 현대 임치(臨淄) 인구를 포함한 현대 동아시아 인구는 하나의 클러스터를 형성하며, 이는 그들의 지리적 분포와 일치한다. 그러나 2,000년 전 임치(臨淄) 인구는 현대 동아시아 클러스터 밖에 위치하며, 2,500년 전 임치(臨淄) 인구는 현대 유럽 인구와 함께 클러스터를 이룬다.
그림 3. 19개 인류 집단에 대한 이웃-연결 계통수. 가지의 길이는 유전적 거리에 비례한다.
The multidimensional scaling method was also applied to the genetic distance matrix data (see fig. 4). The overall constellation of the 19 populations is quite similar to that of the neighbor-joining tree of figure 3. This two-dimensional scattergram explains 96.2% of the variation, and the significant portion is already explained by horizontal axis 1. Because the present-day European populations are on the left side and the present-day east Asian populations are on the right side, this representation can be equated to the geographical map of populations, except for the two ancient populations in China. This strengthens the very odd location of the 2,500-year-old Linzi population.
다차원 척도법 또한 유전적 거리 행렬 데이터에 적용했다(그림 4 참조). 19개 인구의 전반적인 배치는 그림 3의 이웃-연결 계통수와 매우 유사하다. 이 2차원 산점도는 변이의 96.2%를 설명하며, 중요한 부분은 이미 수평축 1에 의해 설명된다. 현대 유럽 인구는 왼쪽에, 현대 동아시아 인구는 오른쪽에 위치하므로, 이 표현은 중국의 두 고대 인구를 제외하면 인구의 지리적 지도와 동일하다고 볼 수 있다. 이는 2,500년 전 임치(臨淄) 인구의 매우 이례적인 위치를 더욱 강화한다.
그림 4. 19개 인류 집단에 대한 다차원 척도법 분석. 각 집단은 다음과 같다. 1: 2,500년 전 임치(臨淄) 인구, 2: 2,000년 전 임치(臨淄) 인구, 3: 현대 임치(臨淄) 인구, 4: 일본 본토인, 5: 한국인, 6: 아이누인, 7: 오키나와 일본인, 8: 몽골인, 9: 알타이인, 10: 카자흐인, 11: 키르기스인(탈라스), 12: 키르기스인(사리타시), 13: 위구르인, 14: 터키인, 15: 포르투갈인, 16: 아이슬란드인, 17: 독일인, 18: 핀란드인, 19: 웨일스인.
It should be noted that the population distance analysis is based only on sequence differences within and between populations. Therefore, ambiguity of the phylogenetic relationship of mtDNA haplotypes as represented by a network with reticulations (see fig. 1) does not cause serious problems in the population analyses.
인구 거리 분석은 오직 인구 내 및 인구 간의 서열 차이에만 기반한다는 점에 유의해야 한다. 따라서 망상 구조를 포함하는 네트워크로 표현되는(그림 1 참조) 미토콘드리아 DNA 하플로타입의 계통 관계상 모호함이 인구 분석에 심각한 문제를 일으키지는 않는다.
We compared the genetic structures of three populations that lived in the same location during three separate historical periods and found that the genetic structure of the inhabitants of Linzi has changed greatly over time. The period of Chinese history that dates to 2,500 years ago corresponds to the transition period from the Spring-Autumn era to the Warring States era, and the period around 2,000 years ago was in the middle of the Han era. Linzi, our sampling location, was the capital of the feudal state Qi in the Spring-Autumn and the Warring States eras. Qin, one of the feudal states during those periods, conquered other states, including Qi, and established the first unified nation in China. Subsequently, the Han dynasty followed Qin after great disturbances of war. Therefore, our finding that the population structure of Linzi changed drastically during those periods can be concordant with these historical events.
우리는 세 개의 다른 역사적 시기 동안 같은 장소에 살았던 세 인구의 유전 구조를 비교했고, 임치(臨淄) 거주민의 유전 구조가 시간이 지남에 따라 크게 변했음을 발견했다. 2,500년 전은 중국 역사에서 춘추시대(春秋時代)에서 전국시대(戰國時代)로 넘어가는 전환기였고, 2,000년 전은 한(漢)나라 시대 중기였다. 우리의 샘플 채취 장소인 임치(臨淄)는 춘추전국시대(春秋戰國時代) 제(齊)나라의 수도였다. 당시 봉건 국가 중 하나였던 진(秦)나라가 제(齊)나라를 포함한 다른 나라들을 정복하고 중국 최초의 통일 국가를 세웠다. 그 후, 큰 전쟁의 혼란 끝에 한(漢)나라가 진(秦)나라의 뒤를 이었다. 따라서 이 시기에 임치(臨淄)의 인구 구조가 급격히 변했다는 우리의 연구 결과는 이러한 역사적 사건들과 일치할 수 있다.
The similarity between the genetic structures of the 2,500-year-old Linzi population and the present-day European populations indicates that there was a genetic shift in the Linzi area from a European-like population to a population more like those found in present-day east Asia, probably caused by migration. This is in accord with the existence of the Eurasiatic superfamily languages, which surround a linguistically unique Sino-Tibetan language, the present-day Chinese language (Ruhlen 1987, 1994; Cavalli-Sforza, Menozzi, and Piazza 1994). Future molecular studies of ancient populations will help us discover the places and times of human diversification and the migration routes of ancient populations.
2,500년 전 임치(臨淄) 인구와 현대 유럽 인구의 유전 구조 간의 유사성은, 임치(臨淄) 지역에서 유럽인과 유사했던 인구가 이주 등을 통해 점차 오늘날의 동아시아 인구와 비슷한 유전 구조로 바뀌었음을 시사한다. 이는 언어학적으로 독특한 중국-티베트어족(漢藏語族)(오늘날의 중국어)을 둘러싸고 있는 유라시아어족의 존재와도 일치한다 (Ruhlen 1987, 1994; Cavalli-Sforza, Menozzi, and Piazza 1994). 앞으로 고대 인구에 대한 분자생물학 연구는 인류가 언제 어디서 다양해졌는지, 그리고 고대 인구의 이동 경로는 어떠했는지를 밝히는 데 도움을 줄 것이다.
감사의 글 Acknowledgments
We gratefully acknowledge the Institute of Archaeology, Shandong Province, China, and the Cultural Relics Bureau of the People’s Republic of China. We also thank Drs. Kangxin Han, Xunzhang Luo, Y. Manabe and J. Oyamada for encouragement, Dr. O. Kondo for multidimensional scaling analysis, and Drs. J. Bertranpetit and E. Calafell for mtDNA sequences of the central Asians. This study was supported by grants from the Ministry of Education, Science, Sports, and Culture of Japan and the NIG Cooperative Research Program. L.W. was supported by The JSPS Postdoctoral Fellowship for Foreign Researchers in Japan.
중국 산동성 고고학 연구소와 중화인민공화국 문물국에 깊이 감사한다. 또한 격려를 아끼지 않은 한강신(Kangxin Han), 뤄쉰장(Xunzhang Luo), 마나베 Y.(Y. Manabe), 오야마다 J.(J. Oyamada) 박사, 다차원 척도법 분석을 도와준 곤도 O.(O. Kondo) 박사, 중앙아시아인 mtDNA 서열을 제공해준 베르트란페티 J.(J. Bertranpetit)와 칼라펠 E.(E. Calafell) 박사에게도 감사한다. 이 연구는 일본 문부과학성과 국립유전학연구소(NIG) 공동 연구 프로그램의 연구비 지원을 받았다. 제1저자 L.W.는 일본학술진흥회(JSPS) 외국인 박사후연구원 펠로십의 지원을 받았다.
참고문헌 LITERATURE CITED
ANDERSON, S., A. T. BANKIER, B. G. BARRELL et al. (14 co-authors). 1981. Sequence and organization of the human mitochondrial genome. Nature 290:457-465.
BANDELT, H. J., P. FORSTER, B. C. SYKES, and M. B. RICHARDS. 1995. Mitochondrial portraits of human populations using median networks. Genetics 141:743-753.
BENDALL, K. E., and B. C. SYKES. 1995. Length heteroplasmy in the first hypervariable segment of the human mtDNA control region. Am. J. Hum. Genet. 57:248-256.
CAVALLI-SFORZA, L. L., P. MENOZZI, and A. PIAZZA. 1994. The history and geography of human genes, Princeton University Press, Princeton, N.J.
COMAS, D., F. CALAFELL, E. MATEU et al. (12 co-authors). 1998. Trading genes along the silk road: mtDNA sequences and the origin of central Asian populations. Am. J. Hum. Genet. 63:1824-1838.
EXCOFFIER, L., and Z. YANG. 1999. Substitution rate variation among sites in mitochondrial hypervariable region I of humans and chimpanzees. Mol. Biol. Evol. 16:1357-1368.
IMANISHI, T. 1998. http://www.cib.nig.ac.jp/dda/timanish/ dendromaker/home.html.
KRINGS, M., A. STONE, R. W. SCHMITZ, H. KRAINITZKI, M. STONEKING, and S. PÄÄBO. 1997. Neanderthal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell 90:19-30.
KUROSAKI, K., T. MATSUSHITA, and S. UEDA. 1993. Individual DNA identification from ancient human remains. Am. J. Hum. Genet. 53:638-643.
MEYER, S. G., G. WEISS, and A. VON HAESELER. 1999. Pattern of nucleotide substitution and rate heterogeneity in the hypervariable regions I and II of human mtDNA. Genetics 152:1103-1110.
ΝΕΙ, Μ. 1987. Molecular evolutionary genetics. Columbia University Press, New York.
OOTA, H., N. SAITOU, K. KUROSAKI, S. POOKAJORN, T. ISHIDA, T. MATSUSHITA, and S. UEDA. 1999a. Ancient DNA: a new strategy for studying population history. Pp. 25-41 in K. Омото, ed. Interdisciplinary perspectives on the origins of the Japanese. International Research Center for Japanese Studies.
OOTA, H., N. SAITOU, T. MATSUSHITA, and S. UEDA. 1995. A genetic study of 2,000-year-old human remains from Japan using mitochondrial DNA sequences. Am. J. Phys. Anthropol. 96:133-145.
1999b, Molecular genetic analysis of remains of a 2,000-year-old human population in China and its relevance for the origin of the modern Japanese population. Am. J. Hum. Genet. 64:250-258.
RICHARDS, M., H. CORTE-REAL, P. FORSTER, V. MACAULAY, H. WILKINSON-HERBOTS, A. DEMAINE, S. PAPIHA, R. HEDGE, H. BANDELT, and B. SYKES. 1996. Paleolithic and neolithic lineages in the European mitochondrial gene pool. Am. J. Hum. Genet. 59:185-203.
RUHLEN, M. 1987. A guide to the world’s languages, Vol. 1. Classification. Stanford University Press, Stanford, Calif.
- The origin of language. John Wiley and Sons, New York.
SAITOU, N., and M. NEL 1987. The neighbor-joining method: a new method for reconstructing phylogenetic trees. Mol. Biol. Evol. 4:406-425.