Введение к работе
Актуальность темы. Исследования разнообразия генома человека в популяциях получили бурное развитие за последние годы в связи с полной расшифровкой генома в начале XXI в. Первоначально анализ особенностей геномного полиморфизма был направлен на решение вопросов происхождения современного человека и эволюции генома в целом. Стремительный прогресс в этой области знаний позволил определить основные пути заселения человеком территории земного шара (Cann et al., 1987; Vigilant et al., 1991; Ingman et al., 2000; Kivisild et al, 2003; Macaulay et al, 2005; Metspalu et al., 2006; Seielstad et al, 1999; Hammer et al., 1998, 2001; Underhill et al., 2000, 2001a), и в настоящее время особую актуальность приобретают работы, связанные с более глубоким изучением эволюционной и демографической истории отдельных регионов. Значительное число исследований проведено к настоящему времени по популяциям Западной и Восточной Европы (Torroni et al, 1994d, 1996, 1998; Richards et al., 1998, 2002; Macaulay et al, 1999b; Finnila et al., 2001; Herrnstadt et al, 2002; Tambets, 2004; Loogvali et al., 2004; Semino et al, 2000, 2004; Rosser et al, 2000; Zerjal et al, 2001; Cavalli-Cforza and Minch, 1997; Лимборская, 2002; Хуснутдинова, 1999, 2006; Бермишева, 2002; Malyarchuk and Derenko, 2001; Belyaeva et al., 2003; Malyarchuk et al., 2004; Balanovsky et al., 2008), Ближнего Востока (Richards et al., 2000, 2002, 2003; Luis et al, 2004; Semino et al, 2004; Al-Zahery et al., 2003; Shlush et al., 2008), Индии (Passarino et al, 1996; Kivisild et al., 1999, 2003; Bamshad et al, 2001; Palanichamy et al., 2004; Sengupta et al., 2006), Восточной Азии (Su et al., 1999; Jin and Su, 2000; Karafet et al, 2001; Kivisild et al, 2002; Kong et al., 2003a, 2003b, 2006; Yao et al, 2002a, 2002b, 2002c, 2004; Tanaka et al., 2004), Сибири и Средней Азии (Karafet et al., 2002; Derenko et al, 2003, 2006, 2007; Степанов, 2002, 2006; Харьков, 2005; Starikovskaya et al., 1998, 2005; Schurr et al., 1999; Derbeneva et al., 2002; Дербенева, 2002; Volodko et al, 2008; Comas et al, 1998, 2004; Wells et al, 2001; Quintana-Murci et al, 2004), Америки (Torroni et al, 1992, 1993a, 1993b, 1994a, 1994c; Karafet et al, 1999; Zegura et al., 2004; Карафет, 2006; Tamm et al., 2007). Относительно небольшое количество работ посвящено популяциям Якутии. Лишь в последние годы появились публикации, касающиеся генетической истории якутов (саха) (Pakendorf et al., 2002, 2003, 2006; Федорова, 2003; Пузырев, 2003; Хитринская, 2003; Tarskaya et al., 2006; Тарская и Мелтон, 2006; Харьков, 2008; Zlojutro et al., 2008) и юкагиров (Volodko et al., 2008). Масштабные этногеномные исследования, в которых генофонд коренных народов Якутии рассматривался бы как целостная система, до сих пор не проводились.
Республика Саха (Якутия), расположенная на северо-востоке Российской Федерации, является одним из интереснейших регионов мира по своеобразию процессов формирования генофонда коренного населения. Территория республики составляет 18% от территории Российской Федерации, но в силу суровых природных и климатических условий слабо заселена. На огромном пространстве, 4/5 которого занято тайгой, с узкой полосой тундры на севере, проживает менее 1 млн. человек. Коренное население Якутии (якуты, эвенки, эвены, юкагиры, долганы, чукчи), по материалам последней Всероссийской переписи 2002 г., составляет 49%
4
от общей численности. Особенностями популяций Якутии являются
немногочисленность и рассеянность на огромной территории. Коренное население Якутии неоднородно по антропологической и языковой принадлежности, культуре, традициям, типам хозяйства.
Археологические данные указывают на то, что территория Якутии была заселена с древнейших времен. Наиболее древние стоянки человека эпохи верхнего палеолита были открыты на реках Алдан (35-33 тыс. лет назад) (Мочанов, 1977) и Яна (30 тыс. лет назад) (Pitulko et al., 2004). Близкое типологическое сходство изделий дюктайской эпохи (35-10,5 тыс. лет назад) с древнейшими палеоиндейскими позволило выдвинуть гипотезу о генетической связи дюктайцев с предками американских индейцев, проникших на американский континент сухопутным путем через Чукотку и Берингию (Мочанов, 1977). Вопрос этнической идентификации древнего населения Якутии новокаменного века до сих пор остается наиболее спорным моментом в исторических реконструкциях: с древними неолитическими племенами Якутии связывают все известные современные субарктические этносы - юкагиров, эвенов, нганасанов, чукчей, эскимосов и коряков (Окладников, 1955а, 1970; Федосеева, 1980; Константинов, 1978; Алексеев, 1996а, 19966). Позднее, начиная с железного века, территория Якутии, по-видимому, стала заселяться предками современных эвенков, вначале пешими и затем оленеводческими группами (Константинов, 1978; Туголуков, 1980, 1985). В результате взаимодействия предков эвенков с древними юкагирами и коряками возник новый тунгусоязычный этнос - эвены. Тюркоязычные скотоводческие племена предков современных якутов (саха) рассматриваются как наиболее поздние мигранты, переселившиеся в бассейн средней Лены из Прибайкалья. По вопросу о времени миграции якутов на север во мнениях историков имеются значительные расхождения: с I по XII вв. (Ксенофонтов, (1937), 1992), с VI в. н.э. (Алексеев, 19966), с X по XVI вв. (Окладников, 1955а), не ранее XIII-XIV вв. (Гоголев, 1993), с XV в (Константинов, 1975). Самый молодой этнос Сибири - долганы сложился лишь к XIX в., вобрав линии якутов, эвенков, русских, энцев и ненцев (Долгих, 1963).
Первые этногеномные исследования, в которых затрагивались отдельные популяции Якутии, были сфокусированы на изучении древних миграций человека по территории Евразии (Zerjal et al., 1997; Torroni et al., 1998; Lahermo et al., 1999) и заселения Америки (Torroni et al., 1993a; Karafet et al., 1999). Более интенсивные исследования были предприняты по изучению структуры генофонда якутов как наиболее многочисленного этноса Сибири, однако до сих пор не удалось получить однозначной генетической оценки по вопросам происхождения и генетической истории народа саха. Расхождения во мнениях авторов касаются в основном соотношения «пришлых» и автохтонных элементов в генофонде якутов и степени генетического родства с другими этносами Сибири. Противоречия определяются, на наш взгляд, главным образом, недостаточной изученностью структуры генофонда непосредственных соседей якутов - эвенков, эвенов и юкагиров, параметров внутриэтнической вариабельности, а также недостаточной глубиной филогенетического анализа для всех изученных к настоящему времени популяций.
В представляемой работе для анализа разнообразия генома в популяциях мы использовали несколько молекулярно-генетических систем - митохондриальную
5
ДНК (мтДНК), Y-хромосому и аутосомные Аш-инсерции.
Исключительная информативность первых двух систем обусловлена такими свойствами, как специфичный характер наследования - по материнской и отцовской линиям, отсутствие рекомбинационных процессов и высокая степень полиморфности. Реконструкция филогенетических деревьев мтДНК и Y-хромосомы с учетом времени коалесценции и в совокупности с географическими и археологическими данными составляет основу филогеографического подхода, который является наиболее перспективным в популяционных исследованиях в настоящее время (Avise, 2000). В отличие от локусов ядерной ДНК, где эволюционные изменения прослеживаются главным образом по вариабельности частот различных аллелей в популяциях, митохондриальная ДНК и Y-хромосома дают возможность восстановить действительную филогению, т.е. последовательность возникновения носителей различных гаплотипов в эволюционном ряду. Анализ структуры и распределения линий в различных регионах позволяет определить направленность миграционных потоков, имевших место в прошлом. Для более глубокого понимания происхождения и формирования генофонда отдельных этносов и процессов эволюции генома человека в целом необходимы детальные филогеографические исследования концевых ветвей филогенетических деревьев митохондриальной ДНК и Y хромосомы, что становится возможным с использованием большего количества информативных ДНК-маркеров, с развитием новых подходов к анализу данных, и накоплением фактологического материала.
Значительный интерес представляет сравнительный анализ линий в древних и современных популяциях. Молекулярно-генетический анализ костных останков из древних погребений базируется главным образом на исследовании митохондриальной ДНК, что обусловлено ее многокопийностью и, как следствие, значительно большей сохранностью в скелетном материале по сравнению с ядерной ДНК. В большинстве опубликованных работ результаты исследования ДНК популяций неолита и палеолита свидетельствуют о генетической преемственности между древним и современным населением (Oota et al., 1998, 2001b; Gonzales-Oliver et al., 2001; Jones, 2003; Garcia-Bour et al., 2004; Vernesi et al., 2004; Adachi et al., 2004; Ricaut et al., 2004; Keyser-Tracqui et al., 2006). Исследования ДНК человека из древних погребений Якутии немногочисленны - известны единичные публикации французских исследователей, где представлен анализ мтДНК неолитической шаманки (Ricaut et al., 2005), мужчины из погребения раннего железного века (Amory et al., 2006), 8 останков из якутских погребений XVII и XVIII вв. (Ricaut et al, 2004, 2006).
Изучение геномного разнообразия имеет значение не только для решения вопросов происхождения и генетической истории различных этносов, но также является основой для молекулярной эпидемиологии наследственных и мультифакториальных заболеваний. Каждый регион характеризуется определенным набором наиболее распространенных болезней. Для понимания причин распространенности тех или иных заболеваний в различных регионах, а также для разработки подходов к их ранней ДНК-диагностике и эффективной профилактике первоначально необходимо проведение популяционных исследований по ДНК-локусам, определяющим развитие заболевания. Такие разработки особенно
6 актуальны и перспективны в Якутии в связи с особенностями распространения некоторых наследственно-обусловленных болезней в регионе (Ноговицына, 1999; Назаренко, 2002а, 20026; Платонов, 2003; Тарская, 2004; Тарская и Ельчинова, 2006; Сухомясова, 2005; Галеева, 2006; Максимова, 2007; Maksimova et al., 2007) .
В связи с вышеизложенным были определены цель и задачи данного исследования.
Цель исследования: охарактеризовать структуру генофонда и генетические взаимоотношения популяций Якутии по данным полиморфизма митохондриальной ДНК, Y-хромосомы и аутосомных ДНК-локусов.
Задачи исследования:
-
определить особенности структуры генофонда коренного населения РС(Я) с помощью трех молекулярно-генетических систем - митохондриальной ДНК, Y-хромосомы и аутосомных Alu-инсерций, провести сравнительный анализ с популяциями соседних регионов;
-
определить соотношение западно- и восточноевразийских линий мтДНК и Y-хромосомы в генофонде народов РС(Я);
3. оценить параметры генетического разнообразия и степень генетической
дифференциации популяций Якутии по данным полиморфизма мтДНК, Y-
хромосомы и аутосомных Alu-инсерций;
-
провести филогеографический анализ наиболее распространенных в популяциях РС(Я) гаплогрупп мтДНК и Y хромосомы;
-
охарактеризовать генетические взаимоотношения между изученными популяциями и определить положение генофонда населения Якутии в системе генофондов популяций соседних регионов по данным полиморфизма мтДНК и Y-хромосомы;
6. провести анализ мтДНК из древних погребений Якутии;
7. провести анализ полиморфизма локусов, сцепленных с генами
наследственных болезней, в популяциях Якутии.
Научная новизна. Впервые проведено исследование структуры генофонда
народов Якутии (якуты, эвенки, эвены, юкагиры и долганы) как целостной
популяционной системы с использованием оценки генетического разнообразия
митохондриальной ДНК, Y-хромосомы, аутосомных Alu-инсерций и
высокополиморфного участка (СТО)п-повторов DMPK-гена. На основании данных об изменчивости линий митохондриальной ДНК и Y хромосомы в популяциях Якутии получены детальные характеристики о структуре генофонда коренного населения РС(Я). Определено соотношение западно- и восточноевразийских линий мтДНК и Y хромосомы в генофондах народов Якутии, проведены оценки уровня генетического разнообразия и степени генетической дифференциации популяций региона в целом. Проведен филогеографический анализ мажорных гаплогрупп С и D5a2 митохондриальной ДНК и гаплогруппы N Y хромосомы. Получены новые данные по разнообразию типов митохондриальной ДНК из древних погребений Якутии эпохи средневековья и позднего неолита. Установлено положение генофонда народов Якутии в системе генофондов популяций соседних регионов (Чукотки, Камчатки, Дальнего Востока, Северного Китая, Монголии, Южной и Западной Сибири). Полученные в работе данные существенно дополняют и
7 расширяют представления о путях миграций популяций человека и общей картине заселения Северо-Восточной Евразии.
Научно-практическая значимость. Результаты исследования генетической истории коренных этносов Якутии представляют значительный интерес для специалистов смежных отраслей знания - историков, этнографов, археологов, антропологов и лингвистов и могут использоваться при решении проблем этногенеза коренных народов Якутии. Полученные данные имеют важное значение для понимания причин накопления некоторых наследственных заболеваний в регионе. Данные по генетическому полиморфизму могут иметь существенное значение в области судебной медицины, геногеографии, эпидемиологии наследственных и мультифакториальных заболеваний. Созданные в целях выполнения работы коллекции ДНК популяций РС(Я) могут использоваться в дальнейшем для проведения популяционных, эволюционных и медико-генетических исследований. Материалы работы могут быть использованы в научно-образовательном процессе при создании курсов лекций для студентов биологических, медицинских, исторических специальностей, а также для издания научно-популярной литературы и в средствах массовой информации.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Спектр и частоты гаплогрупп мтДНК и Y хромосомы, аллельных вариантов (СТО)п-локуса гена DMPK, частоты 8 аутосомных Alu-инсерций в популяциях Якутии. Характерные особенности структуры генофонда якутов, эвенков, эвенов, юкагиров и долган.
-
Выраженность восточноевразийского компонента, низкое содержание западноевразийских линий мтДНК и Y-хромосомы в генофонде популяций Якутии. Присутствие палеоевропеоидного компонента в генофонде якутов и эвенков;
-
Тесное генетическое родство между центральными и вилюйскими якутами, большая генетическая близость популяций якутов к эвенкам Якутии и отдаленность якутов от юкагиров по данным полиморфизма мтДНК и Y-хромосомы;
-
Большая выраженность отличий генетических портретов популяций Якутии по линиям Y хромосомы, чем по линиям мтДНК, что определяется в основном эффектом основателя в популяциях якутов и эффектом патрилокальносте; незначительная степень дифференциации между популяциями якутов и эвенков Якутии по полиморфизму мт-ДНК и Alu-инсерционных локусов;
-
Заселение территории Якутии из регионов Южной Сибири, Монголии и Северного Китая; относительная изолированность от восточных регионов Чукотки и Камчатки по данным полиморфизма мтДНК, начиная по крайней мере с эпохи позднего неолита;
-
Преемственность линий мтДНК в популяции якутов за последние 300 лет;
-
Эффект основателя или наличие в генах, ответственных за наследственные болезни, одной мажорной мутации для наследственных болезней, имеющих редкую частоту возникновения и получивших распространение в популяции якутов.
Апробация работы. Материалы исследования были представлены в виде докладов (устных и стендовых) или тезисами докладов на II и III Международной конференциях «Проблемы вилюйского энцефаломиелита и других нейродегенеративных заболеваний в Якутии» (Якутск, 2000, 2006), 7 Annual Human Genom Meeting (Shanghai, 2002), республиканских научно-практических
8 конференциях «Актуальные вопросы детской неврологии и педиатрии» (Якутск, 2001), «Достижения и перспективы медицинской науки в Республике Саха (Якутия)» (Якутск, 2001), «Вопросы формирования здоровья и патологии человека на Севере: факты, проблемы и перспективы» (Якутск, 2002), на Всероссийском научно-практическом симпозиуме «Технологии генодиагностики в практическом здравоохранении» в рамках Международной конференции «Геномика, протеомика и биоинформатика для медицины» (Москва, 2002), 13th Congress of the European anthropological association (Zagreb, Croatia, 2002), Meeting Human Origin and Diseases (Cold Spring Harbor, 2002), 2d International Meeting of genetic of complex diseases and isolated populations (Italy, 2003), Всероссийской научно-практической конференции «Современные достижения клинической генетики» (Москва, 2003), X Российско-Японском Международном симпозиуме медицинского обмена (Якутск, 2003), 9th Annual Human Genom Meeting (Berlin, 2004), V Съезде Российского общества медицинских генетиков (Уфа, 2005), 101 Annual Human Genom Meeting (Kioto, 2005), Международной конференции «Генетические аспекты патологии человека. Проблемы сохранения генофонда коренных народов Севера» (Якутск, 2005), 55th Annual Meeting of American Society of Human Genetics (Uta, 2005), межрегиональной научно-практической конференции «Молекулярно-клеточные аспекты патологии человека на Севере» (Якутск, 2007), форуме молодых ученых РС(Я) (Якутск, 2008), научных семинарах ЯНЦ СО РАМН и Эстонского Биоцентра, семинаре «Популяционная и эволюционная генетика» Отдела генетики популяций и природопользования ИОГен РАН (апробация диссертации, 23 мая 2007 г.).
Декларация личного участия автора. В диссертации использованы экспериментальные данные, полученные лично автором: гаплотипирование мтДНК и Y хромосомы осуществлено на базе Эстонского Биоцентра (г.Тарту, Эстония), анализ мтДНК из костных останков проведен в лаб. геобиологии Университета Нагойя (г.Нагойя, Япония) и в Эстонском Биоцентре, анализ полиморфизма (CTG)n-локуса DMPK-гена в популяциях РС(Я) и скрининг мутаций в гене гемохроматоза в популяции якутов выполнен в Отделе молекулярной генетики ЯНЦ СО РАМН. Автор лично участвовал в проведении трех экспедиций в северные улусы, организации Банка ДНК ЯНЦ СО РАМН, внедрении в практику медико-генетического консультирования методов ДНК-диагностики 6 наследственных болезней, распространенных в РС(Я). Генотипирование Аш-инсерций проведено сотрудниками Института биохимии и генетики УНЦ РАН (г.Уфа, Россия). Работа выполнена в рамках реализации Республиканской целевой программы «Развитие генодиагностики человека в РС(Я)» согласно Договорам о научно-техническом сотрудничестве между ЯНЦ СО РАМН, ИБГ УНЦ РАН, Эстонским Биоцентром и лаб. геобиологии Университета Нагойи. Суммарно личное участие автора составило -75%.
Благодарности. Автор бесконечно признателен людям, предоставившим возможность для выполнения данного исследования - своему научному консультанту, члену-корреспонденту АН Республики Башкортостан, заведующей отделом геномики Института биохимии и генетики УНЦ РАН профессору Эльзе Камилевне Хуснутдиновой, президенту АН Эстонии, директору Эстонского Биоцентра профессору Рихарду Виллемсу, директору ЯНЦ СО РАМН профессору Михаилу Иннокентьевичу Томскому, заместителю директора по научной работе
9
ЯИЦ СО РАМН (2002-2007) профессору Валерию Архиповичу Аргунову,
директору Департамента по охране генофонда народов РС(Я) (1994-2002) Валентине Ивановне Кириллиной, заведующему лабораторией геобиологии Университета Нагойя профессору Tomowo Ozawa, заместителю директора ФГНЦ «Институт здоровья» РС(Я) профессору Федору Алексеевичу Платонову.
Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам Эстонского Биоцентра Маре Рейдла, Юрию Парик, Эне Метспалу, Сиири Рутси, Марии Адоаян, сотрудникам Института биохимии и генетики УНЦ РАН Ильдусу Альбертовичу Кутуеву, Рите Игоревне Хусаиновой, Вите Леоновне Ахметовой, Марине Александровне Бермишевой, Баязиту Булатовичу Юнусбаеву за методическую помощь и ценные советы при проведении данного исследования, заместителю директора Музея археологии ЯГУ Александру Дмитриевичу Степанову за предоставление костного материала поздненеолитического Кёрдюгенского погребения, ценные замечания и обсуждение результатов работы, археологу Эдуарду Константиновичу Жиркову за предоставление костного материала из якутских погребений.
Автор считает приятным долгом поблагодарить зав. отделом молекулярной генетики (2002-2006) Анну Николаевну Ноговицыну за организационную помощь. Автор выражает сердечную благодарность сотрудникам отдела молекулярной генетики ЯНЦ СО РАМН и врачам Медико-генетической консультации РБ№1-НЦМ, принимавшим участие в экспедициях, а также всем донорам, давшим согласие на предоставление материала. Отдельную благодарность хотелось бы выразить сотрудникам лаборатории молекулярной генетики, людям, оказавшим дружескую поддержку в течение всего времени выполнения работы.
Публикации. В диссертации обобщены данные 50 работ, включая 1 монографию, 15 статей в отечественных и зарубежных журналах, 34 тезисов в материалах конференций.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 338 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав обзора литературы, описания материалов и методов исследования, семи экспериментальных глав, заключения, выводов и библиографического списка использованной литературы. Работа иллюстрирована 35 таблицами, 37 рисунками и дополнена 7 приложениями. Список литературы включает 507 публикаций отечественных и зарубежных авторов.
