Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 10
1.1. Антропологический состав и этническая история народов Восточной Европы 10
1.2. Исследования населения Вост. Европы по классическим генным маркерам 11
1.3. Изучение различных типов ДНК-полиморфизма в популяциях человека 14
1.4. Исследования полиморфизма ДНК у народов Восточной Европы 28
1.5. Геногеографический подход в популяционных исследованиях 30
1.6. Геногеографические исследования Восточной Европы 41
Глава 2. Материалы и методы 45
2.1. Материалы 45
2.2. Экспериментальные методы 49
2.2.1. Методы экспедиционного обследования генофонда 49
2.2.2. Молекулярно-генетические методы 53
2.3. Методы оценки генетического разнообразия 54
2.4. Картографические методы геногеографии 56
2.4.1 Общие картографические методы 56
2.4.2. Параметры компьютерного картографического моделирования 64
2.4.3. Определение географических координат и программное обеспечение 65
Глава 3. Пространственная изменчивость отдельных генов у народов восточной европы 6?
3.1. Базы данных о полиморфизме ДНК и классических маркеров 69
3.2. Геногеография аутосомных ДНК-маркеров 76
3.2.1. Геногеография делеции в гене рецептора хемокинов CCR5 77
3.2.2. Геногеография микросателлита в гене миотонической дистрофии (DM) 84
3.2.3. Геногеография микросателлита CAct685 99
3.2.4. Геногеография микросателлита DRPLA 107
3.2.5. Геногеография микросателлита SCA1 118
3.2.6. Геногеография минисателлита АроВ 125
Глава 4. Оценка гетерозиготности и межпопуляционной дифференциации населения восточной Европы 135
Глава 5. Общая характеристика пространственной структуры восточноевропейского генофонда: карты главных компонент 145
5.1. Геногеография главных компонент аутосомных ДНК-маркеров 146
5.2. Оценка устойчивости выявленных пространственных закономерностей 156
Глава 6. Анализ пространственной структуры восточно европейского генофонда: карты генетических расстояний ... 167
6.1. Генетические расстояния от народов индо-европейской языковой семьи 169
6.2. Генетические расстояния от народов уральской языковой семьи 174
6.3. Генетические расстояния от народов алтайской языковой семьи 176
6.4. Генетические расстояния от средних частот в населении Восточной Европы 178
Глава 7. Соотношение общих и частных закономерностей в структуре генофонда народов восточной Европы
Заключение 190
Выводы 203
Список литературы 205
- Исследования населения Вост. Европы по классическим генным маркерам
- Методы оценки генетического разнообразия
- Геногеография аутосомных ДНК-маркеров
- Оценка гетерозиготности и межпопуляционной дифференциации населения восточной Европы
Введение к работе
Постановка проблемы и ее актуальность. Изучение генетической изменчивости популяций по данным о ДНК полиморфизме стало особенно актуальным на современном этапе развития генетики человека, как следствие внедрения множества детально охарактеризованных ДНК-маркеров, так и в связи с быстрым развитием компьютерных методов анализа [Cavalli-Sforza, 1998; Chakravarti, 1999]. Новые научные направления - "этногеномика", "филогеография", "молекулярная антропология" - развивают новые подходы для решения проблем, связанных с историей генофондов народонаселения, с изучением путей их формирования. Этногеномика представляет собой распространение геномных исследований на качественно иной - популяционный - уровень. Одним из наиболее мощных инструментов популяционной генетики является геногеография, благодаря которой картографический анализ генофондов многих регионов мира проведен по классическим (иммуно-биохимическим) маркерам. В данной работе впервые представлено комплексное картографическое обобщение данных этногеномики.
Для этой цели могут быть использованы различные типы ДНК-маркеров. Например, маркеры NRY (нерекомбинирующих участков Y хромосомы) и mtDNA (митохондриального генома) позволяют дифференцированно прослеживать траектории сложения генофонда по отцовской и материнской линиям [Semino et al., 2000; Степанов, 2002; Underhill et al., 2001]. Однако наиболее общие закономерности в структуре генофонда выявляются по аутосомным ДНК маркерам, значительно менее подверженным эффектам дрейфа генов. Но поскольку и различные типы аутосомных маркеров эволюционируют с разной скоростью, то для выявления общей структуры генофонда необходимо включать в анализ разные типы аутосомного полиморфизма. Именно такой подход - комплексное геногеографическое изучение генофонда по разным типам аутосомных ДНК-маркеров - и положен в основу данной работы.
Современная геногеография, являясь разделом популяционной генетики, располагает обширными возможностями для анализа пространственной изменчивости частот генов. Арсенал геногеографии включает большой набор статистических методов, однако одним из наиболее перспективных инструментов является картографическое моделирование. Оно позволяет сначала построить компьютерные геногеографические карты изменчивости отдельных аллелей (выявляющие частные траектории эволюционного развития), а на их основе - создать обобщенные карты, которые фиксируют магистральную линию эволюции генофонда, основные закономерности в его структуре [Piazza et al., 1981; Cavalli-Sforza et al., 1993, 1994; Рынков, Балановская, 1992; Балановская и др., 1990; Балановская, Нурбаев, 1997; Лимборская и др., 2002]. Числовая матрица, лежащая в основе карты, позволяет проводить с ней все виды одно- и многомерного статистического анализа; не только создать карты отдельных генов, но и провести моделирование трендов изменчивости, корреляций с различными параметрами. Совокупность картографических моделей и созданные на их основе обобщенные карты дают объективную картину пространственной изменчивости генофонда, позволяя перейти к анализу истории его формирования (историческая геногеография) и взаимодействия со средой (экологическая геногеография).
При этом все большую актуальность приобретает изучение геномного разнообразия не столько в глобальном масштабе, сколько анализ региональных генофондов. Среди них Восточная Европа представляет особый интерес для наук о человеке. При сложности истории формирования населения этого региона [Седов, 1994; Рогинский, Левин, 1979; Моисеев, 1999], множественности разнонаправленных миграций [Алексеева, 1999; Бунак, 1980], отсутствии четких географических рубежей [Географический энциклопедический словарь, 1992] интерполяционная процедура, лежащая в основе компьютерной геногеографии, является адекватным методом анализа [Cavalli-Sforza et al., 1994]. Геногеографический анализ позволяет выявлять тонкую структуру генофонда, изучать древние этногенетические связи между современными группами. Это особенно важно для восточно-европейского региона, население которого весьма гетерогенно: в лингвистическом отношении оно представлено индоевропейской, уральской, кавказской, алтайской языковыми семьями; в антропологическом отношении - входит в зону взаимодействия европеоидной и монголоидной рас, а по данным о классических маркерах характеризуется большим генетическим разнообразием, чем население Западной Европы (в 1.6 раза) [Генофонд и геногеография народонаселения, 2000; Cavalli-Sforza et al., 1994]. На современном этапе весьма актуальной является проблема изучения общих закономерностей в изменчивости восточноевропейского генофонда по данным о ДНК полиморфизме.
Изучение таких закономерностей имеет долгую историю. В ходе антропологических исследований за последние сто лет практически все народы Восточной Европы были детально изучены по признакам соматологии, дерматоглифики, одонтологии, краниологии современного и древнего населения.
Географический подход к изучению изменчивости населения [Чепурковский, 1913], реализованный в работах В.В. Бунака, Т.И. Алексеевой, В.П. Алексеева, Я.Я. Рогинского, Г.Ф. Дебеца, Н.Н. Чебоксарова, А.А. Зубова, Г.Л. Хить, Т.А.Трофимовой, М.С. Акимовой и их коллег, позволил дать антропологическую характеристику и проследить пути этногенеза практически всех групп народонаселения Восточной Европы. Популяционно-генетические исследования (работы В.В. Бунака, Ю.Г. Рычкова, А.А. Ревазова, Е.К. Гинтера, В.А. Спицына и их коллег) внесли неоценимый вклад в изучение факторов микроэволюции, путей миграций, закономерностей пространственной изменчивости восточноевропейского генофонда. Большая заслуга популяционных генетиков состоит в разработке теоретических подходов к изучению микроэволюции генофонда и адекватных методов математического анализа. К ним относится и геногеографический подход, разработанный отечественными генетиками Ю.Г. Рычковым и Е.В. Балановской и широко использованный в данной работе.
Таким образом, значительное преимущество современного этапа в изучении генофонда - по данным о ДНК полиморфизме - состоит в том, что он базируется на опыте и широкомасштабных исследованиях этнических антропологов и популяционных генетиков. Результаты анализа ДНК полиморфизма могут быть напрямую сопоставлены с результатами различных отраслей антропологии и популяционной генетики. Тем самым можно точнее определить объективность и устойчивость выявляемых закономерностей изменчивости генофонда. В данной работе геногеографический анализ ДНК-полиморфизма проведен в сравнении с обширным массивом данных по классическим маркерам. В дальнейшем это позволит перейти к важному в настоящее время сравнению выявленных общих закономерностей по аутосомным маркерам с новыми появляющимися данными по однородительским маркерам митохондриального генома и Y-хромосомы.
Закономерности в пространственной структуре генофонда народов Восточной Европы, выявленные по всей накопленной генетической информации, дополнят исторические источники, на основе которых решаются проблемы формирования населения Евразии [Грехова и др., 1996; Рычков и др., 1997, 1998, 1999; Балановская и др., 1997, 2000; Евсюков и др., 1996]. Комплексный геногеографический анализ данных о ДНК полиморфизме, осуществляемый на примере восточно-европейского региона, позволяет получить принципиально новую информацию об изменчивости молекулярно-генетических маркеров и сделать еще один шаг для понимания всегда актуальных вопросов истории и эволюции популяций человека.
Цель исследования: Изучить пространственную изменчивость аутосомных ДНК-маркеров в народонаселении Восточной Европы с помощью широкого спектра методов современной компьютерной геногеографии и выявить основные закономерности структуры восточно-европейского генофонда.
Задачи исследования'.
Методами компьютерной картографии провести анализ пространственной изменчивости населения Восточной Европы по наиболее изученным аутосомным ДНК-маркерам (114 аллелей 6 локусов мини-, микросателлитов, инсерционно-делеционного полиморфизма).
Изучить изменчивость каждого аллеля ДНК-маркеров на основе картографического и статистического анализа его распространенности; охарактеризовать полиморфизм каждого локуса по комплексу параметров: внутри-, межпопуляционное разнообразие, картографирование главных компонент и уровня гетерозиготности.
По всей совокупности ДНК-маркеров оценить параметры гетерозиготности и межпопуляционного разнообразия генофонда народов Восточной Европы; сопоставить с аналогичными параметрами генофонда по данным о классических маркерах.
Дать обобщенную характеристику пространственной структуры генофонда Восточной Европы на основе картографирования главных компонент изменчивости ДНК-маркеров.
Определить генетический вклад в формирование восточноевропейского генофонда народов, относящихся к различным языковым семьям, на основе картографирования генетических расстояний от генофондов языковых семей.
Оценить устойчивость выявленных закономерностей и возможные факторы их формирования на основе сравнения результатов анализа по ДНК и по классическим маркерам.
Научная новизна. Впервые проведено геногеографическое исследование пространственной вариабельности аутосомных ДНК маркеров на основе современных компьютерных картографических технологий. Выявлены основные закономерности в пространственной структуре генофонда населения Восточной Европы; доказана их устойчивость.
Геногеографический анализ изменчивости 114 аллелей шести ДНК-локусов мини-, микросателлитного и инсерционно-делеционного полиморфизма выявил различные типы пространственной изменчивости частот генов в народонаселении Восточной Европы: от клинальной до мозаичной.
Впервые показано значительное сходство в пространственной изменчивости аутосомных ДНК и классических генных маркеров: несмотря на резкие различия в уровне полиморфизма и популяционной изученности этих двух систем признаков, они обнаружили высокие корреляции на уровне каждой из трех главных компонент изменчивости генофонда. Обнаружено также совпадение показателей межпопуляционного разнообразия восточноевропейского генофонда по ДНК и классическим маркерам.
Проведенный картографический анализ генетического вклада народов различных лингвистических групп в формирование восточноевропейского генофонда показал, что совокупность карт генетических расстояний служит важным дополнением к картам главных компонент и позволяет детально анализировать процессы формирования пространственной структуры генофонда. Сравнительный картографический анализ структуры генофонда русского народа и народонаселения Восточной Европы в целом продемонстрировал различия в их основных закономерностях.
Практическая значимость. Проведенный на основе современных картографических и статистических методов комплексный геногеографический анализ регионального генофонда представляет интерес для развития популяционно-генетических исследований генофондов по ДНК маркерам других регионов нашей страны и за рубежом. Результаты обобщенного картографического анализа населения Восточной Европы важны для сравнения и корректной интерпретации особенностей эволюционных траекторий маркеров с однородительским наследованием (mtDNA и NRY) и других типов ДНК полиморфизма. Геногеографическая оценка роли генофондов основных групп народонаселения (русского народа, финно-угров Приуралья, алтайской языковой семьи и др.) в формировании генофонда Восточной Европы создают новый источник сведений при разработке проблем истории населения Северной Евразии. В целом полученные результаты представляют интерес для широкого круга специалистов в области естественных и гуманитарных наук -популяционных, молекулярных и медицинских генетиков, антропологов, этнографов, лингвистов, демографов. Материалы работы могут быть использованы как в научно-педагогическим процессе, так и для популяризации научных знаний.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Совокупность изученных ДНК маркеров (114 аллелей локусов CCR5, DM, CAct685, DRPLA, SCA1, АроВ) содержит достаточно полную информацию об общих параметрах структуры генофонда народов Восточной Европы, что следует как из совпадения среднего уровня их межпопуляционной изменчивости с аналогичной величиной, рассчитанной по широкому спектру детально изученных классических маркеров, так и из значительного сходства между закономерностями пространственной изменчивости ДНК и классических маркеров (коэффициент корреляции р = 0.81).
2. Картографический анализ распространенности отдельных ДНК-маркеров позволяет выявлять ведущие тенденции в их пространственной изменчивости. Примерами могут служить обнаруженная клинальная изменчивость для гена CCR5, достоверно коррелирующая с климатическими параметрами; значительные отличия степных алтаеязычных народов от остальных популяций Восточной Европы, обнаруживаемые по локусам SCA1 и АроВ; резко сниженная межпопуляционная изменчивость микросателлита CAct685; клинальная изменчивость мажорного аллеля микросателлита DM и ряд других обнаруженных тенденций изменчивости отдельных ДНК-маркеров.
3. Основное направление изменчивости, установленное при обобщенном анализе генофонда Восточной Европы по данным о ДНК-полиморфизме, имеет долготный характер ("запад<=>восток"). Эта тенденция выявлена при анализе как карты первой главной компоненты по совокупности полиморфных ДНК маркеров (51 аллель 6 локусов), так и карты первой главной компоненты изменчивости классических маркеров (100 аллелей 33 локусов).
4. Наибольшее влияние на формирование генофонда изучаемого региона оказано народами уральской и индоевропейской языковых семей при меньшем генетическом вкладе народов алтайской языковой семьи. Эти различия в генетическом вкладе трех основных групп населения выявляются с помощью картографирования генетических расстояний от средних частот ДНК-маркеров в популяциях анализируемых языковых семей.
Исследования населения Вост. Европы по классическим генным маркерам
История исследования генофонда населения Восточной Европы насчитывает более ста лет. Еще в последней четверти XIX века русский морской военврач А.В. Лю-бинский изучал дальтонизм - генетически обусловленное нарушение цветового зрения - у новобранцев-матросов из различных губерний России. Начало изучения в России полиморфизма групп крови АВО было положено одновременно Н.К. Кольцовым (1922), проводившим исследования этих групп крови у населения Москвы и Подмосковья, и В.В. Бунаком (1924), изучившим распределение групп крови у белорусов Могилевши-ны. Большой вклад в накопление данных о генофонде России был внесен в результате сотрудничества медиков и антропологов в работе Комиссии по изучению кровяных групп (1927-1931 гг.) под руководством проф. В.Я. Рубашкина. Усилиями антропологов и врачей группы крови изучались у населения Поволжья (Б.В. Вишневский, Г.И. Петров, И.Н. Елистратов, Л.М. Геселевич), севера (А.А. Чебоксаров) и центра России (Г.Ф. Дебец), Кавказа (Е.Л. Семенская). Кроме столичных научных центров, работа по изучению групп крови проводилась и в Приуралье, и в Сибири - в Перми (Б.В. Парин), в Томске (А.Б. Вагнер). В этих исследованиях были определены частоты групп крови в целом ряде популяций, выявлена значительная генетическая гетерогенность населения СССР. В 30-е годы в программы исследования генофонда были включены изучение полиморфизма вкусовосприятия фенилтиокарбамида (РТС) и групп крови MN, а в конце 40-х годов - групп крови Rhesus [цит. по: Генофонд и геногеография народонаселения, 2000].
После 1948 года популяционно-генетические исследования населения СССР были приостановлены, но накопление генетической информации продолжалось усилиями медиков [Умнова, 1951]. Полевые исследования с определением групп крови для характеристики популяционной структуры населения были возобновлены антропологами в 1957-1959 гг. В 1959 г. на кафедре антропологии МГУ была учреждена постоянная Сибирская генетико-антропологическая экспедиция под руководством Ю.Г. Рычкова. На базе названной экспедиции был выполнен и ряд популяционно-генетических исследований народов европейской части СССР: литовцев [Таусик, 1975], белорусов [Микулич, 1989], саамов. Все перечисленные выше исследования относились к периоду накопления данных и, как правило, не приводили к выводам общего характера.
В 60-е годы крупномасштабное исследование по геногеографии Восточной Европы было проведено В.В. Бунаком, выделившим ряд крупных геногеографических зон на основе данных станций переливания крови о группах крови АВ0 [Бунак, 1969]. Популяционной единицей исследования в этой работе выступала административная область, и геногеографические зоны охватывали группы областей. В этой работе В.В. Бу-нака были обобщены накопленные к тому времени данные по полиморфизму групп крови и составлены карты распространенности аллелей системы АВО. В предшествовавших работах [Mourant et al, 1958] также составлялись подобные карты для Европы, включавшие Восточную Европу как составную часть, однако на более скудных и не столь тщательно организованных данных. Поэтому одной из целей исследования В.В. Бунака было уточнить границы зон, характеризующихся определенными частотами этих генов. Одним из выводов работы стало представление о «полиареальности» иммунологических типов, т.е. мозаичности геногеографической карты, противопоставленной четко очерченным ареалам антропологических типов.
С середины 60-х годов начинаются масштабные исследования генетико-биохимического полиморфизма в популяциях человека [Спицын, 1985]. В конце 60-х -начале 70-х годов в России появились первые специализированные генетические учреждения и лаборатории, разрабатывающие различные аспекты генетики человека. В 1967 г. был создан Институт медицинской генетики АМН СССР, в работах которого существенное место заняли популяционные исследования населения (проводимые под руководством проф. Е.К. Гинтера), в том числе изучение севера Европейской части России [Пасеков, Ревазов, 1975]. В частности, исследования этого коллектива, посвященные проблеме выделения элементарной популяции, выявили существенные различия даже в пределах одного этноса. Так, если в Архангельской области элементарные популяции размещаются в пределах ареала сельских советов, то в южных областях России элементарная популяция выходит за пределы целого края [Медико-генетическое описание населения Адыгеи, 1997].
Дальнейшие популяционные исследования этого научного коллектива охватили ряд областей ареала русского народа (Брянская, Кировская, Костромская области, Краснодарский край), народы Приуралья (мари, мордва, чуваши), Кавказа (адыги). Важная особенность подхода в этих исследованиях - это комплексный анализ структуры генофонда по данным о генетико-демографической структуре населения (фамилии, брачные миграции, эффективный размер популяции, индекс максимального отбора Кроу и т.д.), о генных маркерах (преимущественно биохимических) и генах наследственной патологии [Ревазов и др., 1986; Гинтер, 1982].
В рамках работ лаборатории генетики человека Института общей генетики АН СССР (под рук. проф. Ю.Г. Рычкова) были охарактеризованы генофонды народов Кавказа [Инасаридзе и др., 1980] и народов Европейской части России [Шнейдер и др., 1994;Шнейдер, 1999].
Подводя итог этому направлению можно сказать, что в результате многолетних исследований классических маркеров накоплен достаточно большой, хотя и разрозненный массив данных о генофондах отдельных народов Восточной Европы. Однако переход к этапу обобщения этих данных пока не завершился: практически отсутствуют работы по комплексному анализу полученной информации, по характеристике генофонда народов Восточной Европы как сложной популяционной системы. Появившиеся в последние годы обобщающие работы основаны на геногеографическом подходе и освещены в одном из последующих разделов главы («Геногеографические исследования Восточной Европы»).
Методы оценки генетического разнообразия
Согласно М.Нею [Nei, 1975], общее генное разнообразие тотальной популяции (Нт) складывается из двух составляющих: гетерозиготности субпопуляций (Hs) и генетических различий между субпопуляциями (DST )
Показатель межпопуляционной дифференциации GST определяется как По данным о ДНК и классических маркерах проводился расчет межпопуляционной дифференциации GST (иерархический вариант расчета GST)- Иерархическая группировка изученных популяций проводилась согласно лингвистической классификации этносов, изученных по ДНК-маркерам (табл.2). Величина GST вычислялась как средняя по всем аллелям дисперсия частоты, нормированная на величину гетерозиготносте.
Хотя иерархический вариант расчета GST является основным и наиболее строгим [Nei, 1975], в силу его сложности он применяется относительно редко. Поэтому здесь, согласно [Рычков, Ящук, 1980] приводится его краткое описание. Весь анализ проведен с использованием оригинального программного пакета «MEGERA 2.0» по следующему алгоритму:
Рассчитывалась GST среди всех изученных популяций данного народа. После того как такие величины были получены для каждого народа, рассчитывалась их средняя. Это значение GST присваивалось нижнему, этническому уровню иерархической попу-ляционной структуры, т.е. с помощью этой величины оценивались средние различия между популяциями в этносе.
На следующем этапе вычислялись частоты аллелей для каждого народа, как не-взвешенная средняя частот аллеля в изученных популяциях данного народа. На основании полученных частот рассчитывалась GST среди всех народов данной лингвистической семьи. После того как такие величины были получены для каждой лингвистической семьи, рассчитывалась их средняя. Это значение GST присваивалось среднему уровню, т.е. уровню лингвистических семей иерархической популяционной структуры. С помощью этой величины оценивались средние различия между этносами в лингвистической семье. В случаях, когда данные по каком-либо народу по данному локусу отсутствовали, то изменчивость в пределах лингвистической семьи рассчитывалась по всем остальным народам, относящимся к данной лингвистической семье.
На следующем этапе вычислялись частоты аллелей для каждой лингвистической семьи, как невзвешенная средняя частот аллеля у народов данной лингвистической семьи. На основании полученных частот рассчитывалась GST среди всех лингвистических семей. Это значение присваивалось высшему уровню иерархической популяционной структуры т.е. с помощью этой величины оценивались средние различия между лингвистическими семьями в восточноевропейском регионе.
На заключительном этапе три величины GST (низшего уровня, среднего уровня, высшего уровня) суммировались. Полученное значение и является величиной GST изученных популяций, рассчитанной иерархическим методом по ДНК-маркерам. Аналогично была рассчитана величина GST по иммуно-биохимическим маркерам.
Причем использовались не все данные по Восточной Европе, а данные только о тех народах, которые были изучены по ДНК-маркерам. Таким образом, расчеты GST для ДНК и классических маркеров выполнены идентично и полностью сопоставимы. Это позволяет провести корректное сравнение дифференциации Восточной Европы по этим двум типам генетических маркеров.
Геногеография аутосомных ДНК-маркеров
Данный раздел посвящен анализу пространственной изменчивости шести локусов ДНК-полиморфизма в народонаселении Восточной Европы. Пять этих маркеров являются гипервариабельными мультиаллельными мини- и микросателлитными локусами, тогда как ген CCR5 характеризуется диаллельным инсерционно-делеционным полиморфизмом, общее число аллелей по всем шести локусам составило 114 аллелей. Из них примерно половина встречается в Восточной Европе с крайне низкой частотой - ниже одного процента, что часто наблюдается для гипервариабельных ДНК-маркеров. В таблице 3 представлены данные по уровню полиморфизма изучаемых локусов.
Основное внимание сосредоточено на изучении пространственной изменчивости аллелей, средняя частота которых в Восточной Европе выше 1 % - суммарно 51 аллель шести ДНК-локусов. Было проведено картографирование частоты каждого из этих маркеров в народонаселении Восточной Европы, всего построена 51 карта распространенности аллелей, и для каждого аллеля картографо-статистическими методами проанализирована корреляция его пространственной изменчивости с географическими координатами местности: с широтой, с долготой и множественная корреляция (приводятся оценки коэффициентов корреляций, полученные как по исходным, так и по картографированным значениям). Основные характеристики созданных для каждого из шести ДНК маркеров серий карт помещены в таблицы 4-10. Показатели межпопуляционной изменчивости даны в виде GST#102 и отражают изменчивость самой карты, которая, как рассматривалось ранее (Глава 2), обычно несколько меньше, чем межпопуляционная изменчивость, определяемая по исходным данным. Особое внимание уделялось оценке общей величины межпопуля-ционных различий и пространственной изменчивости частот генов.
Инсерционно-делеционный полиморфизм в гене рецептора хемокинов CCR5 привлекает внимание исследователей как по причине его вовлеченности в систему резистентности к ВИЧ, так и благодаря неравномерному распространению этой делеции на земном шаре, что позволяет использовать его как маркер в геногеографических исследованиях. В целом ряде работ было показано, что рецептор хемокинов CCR5 является также корецеп-тором для макрофаготропных штаммов вируса иммунодефицита человека ВИЧ1 [Alrhatib et al, 1996; Choe et al, 1996; Deng et al, 1996; Doranz et al, 1996; Dragic et al, 1996; Feng, et al 1996], т.е. используется данным типом вируса для проникновения в клетки. Ген рецептора CCR5 (обозначаемый CMKBR5), локализован в регионе р.21.3 хромосомы 3 [Samson et al, 1996]. В 1996 г. в гене была обнаружена делеция 32 пар нуклеотидов в том сегменте, который кодирует вторую экстрацеллюлярную петлю рецептора CCR5. Данная делеция, обозначаемая CCR5A32, по-видимому, препятствует взаимодействию рецептора с вирусом и тем самым определяет устойчивость к инфицированию ВИЧ-1.
При этом было показано отсутствие заболеваний у лиц, гомозиготных по этой делеции, даже если они входили в группы высокого риска [Dean, 1996; Huang et al, 1996; Liu et al, 1996]. Мутантный аллель обнаружен с частотой от 2 до 15% (в среднем 9%) в европейских популяциях, тогда как в популяциях коренного населения Африки и Японии он выявлен не был. В коренном населении континентальной Азии делеция наблюдалась значительно реже, чем в Европе - ее частота в отдельных популяциях не превышала 5%, а в большинстве популяций она отсутствовала [Martinson et al., 1997]. Таким образом, была обнаружена приуроченность этого аллеля главным образом к территории Европы. Наличие в Европе очагов со значительным накоплением (до 15%) мутантного аллеля неожиданно - ведь европейское население с вирусом СПИД ранее не сталкивалось. Предполагают, что иные инфекционные агенты также используют рецептор CCR5 для проникновения в клетки, тогда отбор мог привести к накоплению данной мутации в очагах распространения инфекции. В любом случае, наличие или отсутствие делеции является одним из типов полиморфизма, который может эффективно использоваться в популяционном анализе народонаселения.
Анализ гаплотипов данной делеционной мутации у 2500 человек из 18 европейских популяций показал, что она имеет уникальное и сравнительно недавнее происхождение: около 2000 лет назад [Libert et al., 1998] или даже несколько менее [Stephens et al., 1998]. Авторы предположили, что столь быстрое распространение мутации в населении Европы говорит о значительном селекционном преимуществе этого аллеля.
В рамках данной работы автором было проведено картографическое моделирование распространения данной мутации в народонаселении Старого Света (народов Евразии и Африки), основываясь на литературных данных, а также на данных М.И. Шадриной и Э.К. Хуснутдиновой (опубликованных в [Limborska et al., 2002]). Всего в анализ были взяты данные по 77 популяциям из различных регионов Старого Света, опубликованных в [Dean et al., 1996, Martinson et al., 1997; Lucotte, Mercier, 1998; Limborska et al., 2002]
На рис. 7 представлена карта распределения этой делеции в Старом Свете. Карта демонстрирует наибольшие частоты в Европе, промежуточные на Ближнем Востоке, Индостане, Средней Азии и практически полное отсутствие мутантного аллеля в Африке южнее Сахары и Восточной Азии.
При этом распространение мутации в Европе обнаруживает четкую закономерность: наибольшая частота делеции отмечается на северо-востоке Европы, в первую очередь у народов, расселенных в районе Балтийского моря. Как видно на рис 7, распределение аллеля CCR5A32 характеризуется максимальной частотой в Балтийском регионе с постепенным уменьшением во всех направлениях. Причем это постепенное падение частоты наблюдается и за пределами Европы.
Таким образом, проведенное картографирование позволило выявить мировой максимум частоты этой мутации в Балтийском регионе и постепенное уменьшение частоты во всех направлениях от этого ядра. Можно констатировать, что обнаружена клинальная изменчивость в распространении CCR5A32 аллеля в популяциях Старого Света.
Такой тип изменчивости может быть вызван рядом причин. Во-первых, зона максимальной концентрации аллеля совпадает с ареалом северо-европеоидной малой расы [Народы и религии мира, 1999]. Рассматриваемая мутация могла возникнуть в этой группе популяций, закрепиться в них благодаря возможным селективным преимуществам аллеля и уже затем постепенно распространиться в соседние регионы. В таком случае этот аллель может рассматриваться как диагностический, маркирующий долю североевропеоидного компонента в генофонде смежных регионов. Во-вторых, учитывая функцию гена CCR5A32, можно предположить, что делеционный аллель может действительно обусловливать устойчивость к иным инфекциям, отличным от СПИД.
Оценка гетерозиготности и межпопуляционной дифференциации населения восточной Европы
Если в предыдущей главе рассматривалась геногеография отдельных генетических маркеров, то, начиная с данной главы, все дальнейшее рассмотрение восточноевропейского генофонда строится на совместном анализе данных одновременно по многим генам и ДНК, и классических маркеров. Для такой комплексной характеристики генофонда в целом нами использованы как традиционные статистические характеристики межпопуляционного (GST) И внутрипопуляционного (Нт) разнообразия генофонда (глава 4), так и синтетические карты двух типов: главных компонент (главы 5, 7) и генетических расстояний (глава 6).
Необходимо отметить, что такая комплексная характеристика генофонда по многим генам потребовала многих дополнительных усилий: были созданы (по ДНК маркерам) и пополнены (по классическим маркерам) сводки данных; модернизированы или пополнены специализированные тематические банки данных по частотам аллелей; построены и вовлечены в анализ более пятисот компьютерных геногеографических карт; создан банк данных тематических карт, рассчитаны показатели генетического разнообразия и т.д.
Анализ пространственных закономерностей изменчивости восточноевропейского генофонда по данным обо всем массиве изученных генов целесообразно начать с определения общего размаха этой изменчивости: оценить уровень как внутрипопуляцион-ных различий, так и величину различий между восточноевропейскими популяциями. Также желательно не только получить такую оценку, но и выяснить ее надежность и устойчивость. Такая проверка объективности полученного результата осуществлена путем сравнения двух независимых оценок - по ДНК и по классическим маркерам. Наконец, для лучшего понимания процессов, протекавших в восточноевропейском генофонде, желательно сравнить полученную величину генетической гетерогенности Восточной Европы с аналогичными оценками для соседних регионов. Круг этих задач и является предметом обсуждения в данной главе.
Величина межпопуляционного разнообразия зависит от соотношения дрейфа генов и миграций, и поэтому свидетельствует об интенсивности миграционных и стохастических процессов в генофонде. Величина GST ОДНИМ ЧИСЛОМ выражает степень величину межпопуляционных различий по всем изученным генам, поэтому Gsr-статистики используются для получения объективной количественной характеристики межпопуляционных различий в анализируемом регионе [Nei, 1975; Алтухов и др., 1997; Bosch et al., 2000; Nasidze et al, 2001]. Второй показатель - уровень внутрипопуляционного разнообразия (Hs) - оценивает среднюю ожидаемую гетерозиготность популяций [Nei, 1975; Алтухов, 1989]. В табл. 11 и на рис. 33 приведены полученные нами величины внутри- и межпопуляционного разнообразия ДНК-маркеров. В анализ включены шесть локусов (суммарно 114 аллелей), относящиеся к трем классам ДНК полиморфизма: микросател-литному (CAct685, DRPLA, SCA1, DM), минисателлитному (АроВ) и инсерционно-делеционному полиморфизму (CCR5). Анализ проведен практически по всем накопленным данным о ДНК-полиморфизме в Восточной Европе, что обуславливает значимость полученных величин. Также рассчитаны аналогичные показатели по классическим маркерам. Следует подчеркнуть, что для проведения такого сравнительного анализа из всего массива данных по классическим маркерам была отобрана информация лишь по тем народам, которые были изучены и по ДНК-маркерам. Этим была обеспечена полная сопоставимость полученных результатов по ДНК и классическим маркерам.
Рассмотрим уровень гетерозиготности и его изменчивость по территории. На рис. 34 представлена карта уровня гетерозиготности в народонаселении Восточной Европы. Средняя по локусам гетерозиготность варьирует в пределах 0.66 Hs 0.72. Карта демонстрирует некоторое снижение гетерозиготности (0.68 Hs) к востоку (у башкир) и к югу (у адыгов), тогда как более высокие значения гетерозиготности (Hs 0.70) обнаруживаются в Поволжье, а также (Hs 0.69) у части русских популяций, украинцев, белорусов. Следует отметить, что подобное же снижение гетерозиготности при движении на восток к Уралу (и дальнейшее снижение в Сибири) и максимумом гетерозиготности также у восточных славян (у украинцев) было показано и при анализе гетерозиготности классических маркеров на территории СССР [Рычков, Балановская, 1992].
