Содержание к диссертации
1 .ВВЕДЕНИЕ. 6
1.1. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. 6
1.2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. 8
1.3. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. 9
1.4. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. 11
1.5. ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫДВИГАЕМЫЕ НА ЗАЩИТУ. 12
1.6. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. 13
1.7. ПУБЛИКАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. 14
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. 15
2.1. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. 15
2.2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. 17
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. 28
3.1. ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ПОПУЛЯЦИЙ ПО ГЕНАМ ГЛАВНОГО КОМПЛЕКСА ГИСТОСОВМЕСТИМОСТИ 28
3.1.1. ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ПОПУЛЯЦИЙ ЧЕЛОВЕКА ПО ГЕНАМ ГЛАВНОГО КОМПЛЕКСА
ГИСТОСОВМЕСТИМОСТИ 28
3.1.1.1. Введение в проблему. 28
3.1.1.2. Краткий обзор литературных данных о распределении генов системы HLA в популяциях мира. 31
3.1.1.3. Дифференциация народов России и сопредельных территорий по генам системы HLA. 37
3.1.1.3.1. Дифференциация популяций человека в Северной Азии по генам класса I HLA-A, -Д и -С. 37
3.1.1.3.2.Особенности генетической дифференциации финно-угорских народов по системе HLA. 47 Л Л -3.3. Особенности дифференциации популяций человека в Северной Евразии
по генам HLA-A и -В. 50
ЗЛ .1-3.4. Особенности распределения гаплотипов HLA в популяциях Северной
Евразии. 59
3 Л .2. ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ ПО ГЕНАМ ГЛАВНОГО КОМПЛЕКСА ГИСТОСОВМЕСТИМОСТИ. 70
ЗЛ.2Л. Введение в проблему. 71
3 Л .2.2. Дифференциация популяций лося (Alces alces) по гену MkcAlal-DRBh 11
3.1.3. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ИСКУССТВЕННО РАЗВОДИМЫХ ПОПУЛЯЦИЙ. 77
ЗЛ .3.1. Введение в проблему, 77
3 Л .3.2. Генетическая диф ференциация редких видов, 7 7
3Л .3.2.1. Дифференциация популяций зубра (Bison bonasus) по MhcBibo-DRB3. 78
3Л .3.3. Генетическая диференциация домашних видов. 82
3Л..3.3.1. Изучение полиморфизма генов класса IBoLA (краткийлитературный обзор). 83
ЗЛ .3.3.2. Дифференциация отечественных пород КРС по антигенам BoLA-A класса J. 87
3.1.3.3.3. Изучение полиморфизма генов класса Я BoLA (краткий литературный обзор). 88
3 Л .3.3.4. Дифференциация пород крупного рогатого скота отечественной селекции по аллелям гена класса ЛBoLA-DRB3. 102
3.1.3.3.4, Изучение генетического разнообразия отечественных пород лошадей. 105
3.2. ИЗУЧЕНИЕ АССОЦИАЦИЙ АЛЛЕЛЕЙ ГЕНОВ ГЛАВНОГО КОМПЛЕКСА
ГИСТОСОВМЕСТИМОСТИ (BoLA) И СЦЕПЛЕННЫХ ГЕНОВ С ПРИЗНАКАМИ ЖИРНОМОЛОЧНОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ В ПОРОДАХ КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА ОТЕЧЕСТВЕННОЙ СЕЛЕКЦИИ. 108
3.2.1. ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМУ.
108
3.2.2. ИЗУЧЕНИЕ АССОЦИАЦИЙ АЛЛЕЛЕЙ BOLA-DRB3 С ПРИЗНАКАМИ
ЖИРНОМОЛОЧНОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ В ПОРОДАХ КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА
ОТЕЧЕСТВЕННОЙ СЕЛЕКЦИИ.
108
3.2.3. ИЗУЧЕНИЕ АССОЦИАЦИЙ МАРКЕРОВ ГЕНА ПРОЛАКТИНА (PRL) с
ПРИЗНАКАМИ ЖИРНОМОЛОЧНОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ 1 ] 0
3.2.3.1. Введение в проблему. 110
3.2.3.2. Изучение ассоциаций маркеров гена пол-актина (PRL) с признаками
жирномолочной продуктивности у отечественных пород крупного рогатого скота. 112
3.3. ВЫЯВЛЕНИЕ АССОЦИАЦИЙ С ЗАБОЛЕВАНИЯМИ МАРКЕРОВ ГЛАВНОГО КОМПЛЕКСА ГИСТОСОВМЕСТИМОСТИ У ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ. 119
3.3.1. ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМУ. 119
3.3.2. АССОЦИАЦИИ С ЗАБОЛЕВАНИЯМИ АНТИГЕНОВ HLA. 120
3.3.3. ИЗУЧЕНИЕ АССОЦИАЦИЙ АНТИГЕНОВ HLA-A и В с ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ И УСТОЙЧИВОСТЬЮ К ТУБЕРКУЛЕЗУ В УЗБЕКСКОЙ ПОПУЛЯЦИИ 119
3.3.4. МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ к ЛЕЙКОЗУ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ МАРКЕРАМИ ГЛАВНОГО КОМПЛЕКСА ГИСТОСОВМЕСТИМОСТИ 130 3.3.4.1. Введение в проблему. Краткие литературные сведения об ассоциациях маркеров главного комплекса гистосовместимости с лейкозом. 130
3.3.4.2. Молекулярно-генетические механизмы устойчивости и чувствительности к лейкозу у отечественных пород крупного рогатого скота, выявленные по особенностям распределения аллелей BoLA DRB3. 133
3.3.4.2.1. Ассоциация аллелей гена BoLA-DR3 с чувствительностью к лейкозу в айрширской и черно-пестрой породах крупного рогатого скота. 136
3.3.4.2.2. Ассоциация аллелей гена BoLA DKB3 с устойчивостью к лейкозу. 145
3.3.4.2.3. Анализ генотипов BoLA-DRB3 в связи с устойчивостью и чувствительностью к лейкозу. 147
3.3.4.2.4. Анализ распределения уровней гетерозиготности в изученных группах животных айрширской и черно-пестрой пород крупного рогатого скота. 151
3.3.4.2.5. Краткое заключение. 154
3.3.4.3. Параметры молочной продуктивности у отечественных пород КРС в связи
с заболеванием лейкозом. 158
4.3АКЛЮЧЕНИЕ. 160
5. ВЫВОДЫ. 169
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 173
7. БЛАГОДАРНОСТИ 218
8. ПРИЛОЖЕНИЕ 219
Введение к работе
Проблемы генетической дифференциации и филогении популяций человека являются актуальными на протяжении последних десятилетий. В последнее время в связи с развитием ДНК технологий анализа полиморфизма геномов появились новые высоко информативные инструменты для решения этих проблем.
В работе для получения характеристики генетической дифференциации популяций Северной Евразии использовали маркеры чрезвычайно полиморфной системы HLA (HLA-A, -В и -С), По сравнению с другими аутосомными маркерами применение системы HLA занимает одно из лидирующих мест по информативности в популяционно-генетических исследованиях, а также при составлении геногеографических карт (Atnmerman, Cavalli-Sforza, 1984, Cavalli-Sforza et al., 1996). За последние годы накоплен уникальный материал по типированию маркеров системы HLA в популяциях мира, в том числе, и наши данные. Данные о дифференциации популяций России и пограничных государств по системе HLA необходимы как недостающее звено для рассмотрения генетических связей коренных народов Северной Азии и Северной Америки, а также народов Сибири и Восточной Европы по маркерам системы HLA.
Чрезвычайный интерес представляют собой этнические группы коренного населения Сибири, их филогения и генетическая дифференциация, особенно в свете их исторических связей с коренным населением Америки. Многие проблемы генетики и истории дивергенции популяций человека могут быть освещены при изучении генофонда древних изолятов, например популяций Берингии. Прогресс в области ДНК-технологий позволил внедрить в практику научных исследований разнообразные маркеры нового типа. Среди них наиболее широко используются маркеры, основанные на изучении нуклеотидноЙ последовательности D-петли митохондриалыюго генома, гаппотипов NRY (нерекомбинирующей части Y-хромосомы) и аутосомных микросателлитов. Аутосомные микросателлиты, традиционно рассматриваемые как селективно-нейтральные маркеры генома, предоставляют возможность сопоставления данных о дифференциации популяций человека с помощью различных ДНК-маркеров (Rosenberg et al., 2002).
Маркеры системы HLA имеют свои преимущества при изучении дифференциации популяций человека, которые обусловлены функциями генов главного комплекса гистосовместимости, связанными с обеспечением иммунного ответа на чужеродные антигены. Это способствует важности их рассмотрения в качестве маркеров иммунного ответа как на индивидуальном, так и на популяционном уровне. Данные о дифференциации популяций человека по системе HLA важны не только для интерпретаций особенностей дифференциации популяций по другим молекулярным маркерам, но и для выявления действия отбора на популяции человека, поскольку особенности распространения маркеров системы HLA отражают как исторические связи популяций, так и их взаимодействие с разнообразными возбудителями болезней.
Сохранение генетического разнообразия по генам главного комплекса гистосовместимости становится первоочередной задачей для сохранения отдельных популяций животных (включая породы сельскохозяйственных животных), а также видов в целом. Генетическая дифференциация природных популяций животных по главному комплексу гистосовместимости, а также популяций редких видов и искуственно разводимых популяций актуальна не только для рассмотрения проблем сохранения видов и биоразнообразия, но и для рассмотрения проблем устойчивости к заболеваниям. Изучение генофонда отечественных пород и природных популяций копытных по генам главного комплекса гистосовместимости актуально в связи с исчезновением пород домашних животных за последние десятилетия, вызванным социально-экономическими условиями в стране, и резким сокращением численности диких видов, обусловленным тотальным истреблением животных из-за нерегулируемой охоты.
1.2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.
ЦЕЛЬЮ исследования был анализ дифференциации популяций человека и отдельных, видов животных, включая природные и искусственно разводимые популяции (одомашненных и редких видов). Генетическую дифференциацию популяций изучали с помощью анализа чрезвычайно полиморфного локуса главного комплекса гистосовместимости с применением иммунологических и молекулярно-генетических методов. Задачи работы:
1. Изучить особенности распространения иммунологических и молекулярно генетических маркеров главного комплекса гястосовместимости в популяциях человека и копытных животных (диких и искусственно разводимых) в Северной Евразии.
2. С использованием маркеров главного комплекса гистосовместимости человека и животных охарактеризовать филогенетические связи, уровень гетерозиготности и генетической дифференциации популяций.
3. Изучить генетическую дифференциацию отечественных пород сельскохозяйственных животных по иммунологическим и молекулярно гогенетическим маркерам.
4. Изучить ассоциации маркеров главного комплекса гнстосовместимости с заболеваниями на примере лейкоза в отечественных породах крупного рогатого скота.
5. Изучить ассоциации маркеров главного комплекса гнстосовместимости и сцепленных генов с признаками молочной продуктивности у пород крупного рогатого скота отечественной селекции.
1.3. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.
В данной работе впервые определен спектр антигенов HLA-A, В и С в популяциях удорских коми (HLA-C -сысольских коми), коми-пермяков, манси, узбеков, эвенков, якутов, азиатских эскимосов и береговых чукчей (Удина и др., 1985, Удина, 1985, Рыжов, Удина,1985, Удина, 1987ab, 1990, Удина и др., 1988, Udina, 1993, 2001, Удина, Раутиан, 1994). Впервые изучена дифференциация народов в Северной Евразии по HLA-A и -В, а и особенности распространения антигенов гнстосовместимости у коренного населения Америки рассмотрены в свете гипотезы их североазиатского происхождения (Удина, 1985, Рынков, Удина, 1985, Удина и др., 1988). Впервые выявлена выраженная дифференциация финно-угорских народов по системе HLA как на уровне отдельных народов, так и локальных популяций (на фоне сходства генофондов) и показано, что она обусловлена географическим положением народов, а также процессами генетического дрейфа и вхождением в их состав разных этнических компонентов при формировании популяции. Впервые установлены особенности распространения гаплотипов HLA-AIB8, -АЗВ7, -А9В7 и - А9В40 и значений неравновесия по сцеплению у населения Северной Евразии методом компьютерной геногеографии и установлено формирование гаплотипа HLA-A9B7 » Западной Сибири (Удина, 1990). Впервые особенности распространения гаплотипа HLA-A3B7 рассмотрены с учетом сибирских народов, выдвинута гипотеза о том, что он маркирует древний европеоидный неолитический компонент у коренного населения Сибири (Удина, 1990).
В диссертационной работе впервые определен спектр аллелей гена BoLA-DRB3 у красной горбатовской породы и продемонстрировано более высокое генетическое разнообразие этой отечественной породы, по сравнению с завезенными породами (Удина и др., 1998, Туркова и др, 2000, 2001). Продемонстрирован высокий уровень гетерозиготностн по двум ДНК-маркерам гена пролактина у пород крупного рогатого скота с высокими параметрами жирности молока (Удина и др., 2001). Впервые для отечественных и местных пород лошадей выявлено высокое генетическое разнообразие молекулярно-генетическими методами (изучены D-петля митохондриальной ДНК и микросателлиты) по сравнению с заводскими породами, что выдвигает их генофонд в качестве источника ценных для селекции аллелей.
Для отечественных пород крупного рогатого скота впервые выявлены новые аллели, обусловливающие устойчивость или восприимчивость к лейкозу, показана универсальность спектра аминокислотных мотивов, кодируемых аллелями BoLA-DRB3: ER (70-71) и VDTY (в позициях. 75-78), обусловливающих устойчивость и чувствительность к лейкозу по данным Xu et al., 1993 (Удина и др., 1998, Удина, 2003). Впервые установлена роль уровня гетерозиготностн крупного рогатого скота по маркерам класса II как неспецифического фактора, обеспечивающего устойчивость к лейкозу (Удина и др., 1998, Удина, 2003),
Впервые изучен полиморфизм генов MhcBibo-DRBS, MhcAlal-DRBl и K-CAS и определены их нуклеотидные последовательности в популяциях зубра и лося России, а также изучена вариабельность D-петли митохондриальной ДНК у лося на территории России (Удина и др., 1995, Сулимова и др., 1996, Udina, Shaikhaev, 1997. 1998, Hundertmark et al., 2002). Выявлен предполагаемый центр происхождения лося и район миграции лося из Азии в Америку (Дальний Восток), а также установлена принадлежность всех изученных групп к одному виду (Удина и др., 2002). 1.4. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.
Полученные в работе данные о системе HLA у 8 народов (15 локальных популяций) включены в геногеографическую сводку данных по системе HLA (Рынков и др. (Удина), 2000), которые могут использоваться для популяционно-генетических исследований, прогнозов для поиска совместимых доноров и пр. В частности, с использованием этих данных в лаб. генетики человека, ИОГен были построены геногеографические карты населения Северной Евразии, позволившие изучить общие закономерности взаимосвязей генофондов этого региона.
В породах крупного рогатого скота отечественной селекции показано существование генетических комплексов, обусловливающих формирование устойчивости к заболеваниям и хозяйственно-полезных признаков, что может быть использовано для проведения селекции одновременно как на улучшение признаков продуктивности, так и на повышение устойчивости к заболеваниям (Удина и др., 1998, Удина и др., 2001, Удина и др., 2003). Разработаны и опубликованы методические рекомендации для оценки и прогнозирования риска заболеваемости лейкозом у крупного рогатого скота, а также для проведения мониторинга по улучшению генофондов стад, неблагополучных по лейкозу (Эрнст и др., 1998, Удина и др., 1998).
Молекулярно-генетическими методами у отечественных к местных пород крупного рогатого скота (красной горбатовской и монгольской) и лошадей (монгольской, якутской и вятской) выявлен более высокий уровень генетического разнообразия по сравнению с заводскими породами, что предоставляет возможность использования их генофонда в качестве источника аллелей, ценных для селекции (Туркова и др., 2000, 2001, Костюченко и др., 2001, Udina, 2002, Sulimova et al, 2002, Udina et al., 2002a).
Показана возможность выявления межвидовых гибридов зубров и бизонов с помощью установленного в работе видоспецифичного спектра аллелей генов гистосовместимости для зубров, что актуально для сохранения генофонда зубра (Udina, Shaikhaev, 1998).
На основе генетических исследований популяций зубра разработаны рекомендации по сохранению этого восстановленного вида и его генетического разнообразия (IUCN/SSC группой по сохранению видов) (Hartl et al., 1995 Population and Habitat viability assessment for the European bison...,1995).
1.5. ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫДВИГАЕМЫЕ НА ЗАЩИТУ.
1. Высокая разрешающая способность изучения системы HLA у народов Северной Евразии позволяет дифференцировать их генофонды в соответствии с географическим положением и происхождением народов.
2. По особенностям дифференциации по системе HLA генофонд коренных народов Северной Азии является связующим звеном между генофондом монголоидов Восточной Азии и Северной Америки. Специфические черты дифференциации по системе HLA в Северной Америке свете могут быть объяснены на основании гипотезы происхождения коренного населения Северной Америки из Северной Азии.
3. Высокий уровень генетической дифференциации по системе HLA финно-угорских народов как на уровне отдельных народов, так на уровне локальных популяций (на фоне сходства генофондов по системе HLA) определяется их географическим положением среди других народов и вхождением в их состав различных этнических компонентов при формировании популяции.
4. Обедненный спектр разнообразия и низкий уровень гетерозиготности по маркерам главного комплекса гистосовместимости у редких видов (на примере зубра) и в отдельных породах крупного рогатого скота, возникающий вследствие инбридинга, приводит к потере неспецифической устойчивости к заболеваниям и к угрозе исчезновения видов и популяций.
5. Присутствие конкретных аминокислотных мотивов в последовательности антигенов класса II обеспечивает устойчивость и чувствительность к лейкозу в породах крупного рогатого скота отечественной селекции на уровне взаимодействия "паразит-хозяин .
6. Параметры жирномолочной продуктивности ассоциируются с маркерами главного комплекса гистосовместимости и сцепленных генов в породах крупного рогатого скота отечественной селекции.
7. Генофонды отечественных пород сельскохозяйственных животных характеризуются более высоким уровнем генетического разнообразия по сравнению с завезенными породами, что позволяет рассматривать отечественные породы как источник аллелей генов, ценных для селекции.
1.6. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.
Основные результаты диссертации были представлены на 40 международных и Всероссийских конференциях. В форме устного доклада апробация результатов диссертации прошла на 13 профильных конференциях: седьмом Финно-угорском конгрессе (Дебрецен, Венгрия, 1990), Международной конференции по молекулярно-генетическим маркерам животных (Киев, 1996), Международном рабочем совещании по сохранению зубра (Мезиздрое, Польша, 1995), Международных конференциях по экологической генетике млекопитающих (Киль, Германия, 1996 и Вена, 1998), Всероссийском съезде генетиков и селекционеров (Санкт-Петербург, 2000), научной школе-конференции "Сохранение биоразнообразия и рациональное использование биологических ресурсов" (Москва, 2000), Международном рабочем совещании "Биоразнообразие и динамика экосистем Северной Евразии: информационные технологии и моделирование" (Новосибирск, 2001), Международном симпозиуме по ветеринарной иммунологии (Уппсала, Швеция, 2001), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых "Биотехнология - возрождению сельского хозяйства" (Санкт-Петербург, 2001), Международной конференции "ДНК-технологии в клеточной инженерии и маркировании признаков сельскохозяйственных животных" (Дубровицы, 2001), Международном симпозиуме "Молекулярные механизмы генетических процессов и биотехнология" (Москва, 2001) и на Международной Ирано-Российской конференции "Сельское хозяйство и природные ресурсы" (Москва, 2002).
Стендовые сообщения были представлены на Международных конференциях по генетике животных (Прага, 1994, Тур, Франция, 1996), Международном конгрессе по млекопитающим (Соутгемптон, Англия, 1995), комиссии по генетике животных 46-ого ежегодного совещания европейской ассоциации по продуктивности животных (ЕААР) (Прага, 1995), евро-американском конгрессе по млекопитающим (Сантьяго-де-Компостела, Испания, 1998), Международной конференции по биоинформатике и регуляции генома (Новосибирск, 2002) и ряде других.
1.7. ПУБЛИКАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. Результаты исследований опубликованы в двух коллективных монографиях, методических рекомендациях, двух обзорах, 38 статьях в сборниках, журналах и материалах конференций, а также в более 40 тезисах в материалах конференций и симпозиумов.
