Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема микроэволюции популяций является центральной в популяционной генетике. Однако прослеживать эволюцию популяций во времени чрезвычайно сложно. Поэтому основным направлением в решении проблем микроэволюции является анализ пространственной структуры популяций. Генетическое разнообразие современных популяций является итогом и материальным воплощением всего хода их эволюции, т.е. разверткой в пространстве процесса эволюции, протекающего во времени. Этот принцип эргодичности ярко выражен Э. Реклю: "География по отношению к человеку есть не что иное, как История в пространстве, подобно тому, как История является Географией во времени" (Реклю, 1906. Т.1, с.1). Такая "взаимозаменяемость" времени и пространства и позволяет изучать микроэволюцию популяций через их географическую изменчивость.
Генофонд человека является одним из наиболее изученных, накоплен огромный объем информации о генетических различиях между популяциями ойкумены; арсенал методов также велик - от прямого сравнения частот генов до изощренных методов многомерной статистики. Используются различные методы анализа генетических расстояний и построения "родословных древ" популяций; анализа межпопуляционного разнообразия и гетерозиготности популяций; построения "синтетических" карт генофонда и "іяготЬ1іп"-анализ; методы генохронологии; автокорреляционный анализ и другие методы оценки факторов микроэволюции (дрейфа, миграций, инбридинга, отбора) на основе данных о пространственной изменчивости популяций.
Однако обилие методов само по себе не обеспечивает целостного анализа генофонда. Поэтому наиболее актуальной становится разработка не изолированных методов, а общих подходов к многостороннему и комплексному изучению генофонда в целом, задача создания комплексных технологий анализа пространственной изменчивости генофонда. Такие технологии должны обеспечить: I) гармоничное объединение методов анализа генофонда; 2) строгие алгоритмы решения задач; 3) адекватное программное обеспечение. Поскольку понятие технологии соединяет "знание" (logos) и "мастерство" (techne), технологии должны включать и новые научные подходы, и детально разработанную технику их реализации.
Данная работа носит методический характер. В ней предложены новые методы и технологии, охватывающие основные направления в изучении пространственной структуры генофонда и факторов его микроэволюции: 1) анализ закономерностей селективно-нейтрального процесса; 2) выявление эффектов селективно-значимого процесса (роль отбора); 3) комплексный картографический анализ; 4) комплексный анализ микроэволюции подразделенной популяции. Все методы и технологии продемонстрированы в приложении к наиболее изученному генофонду человека - от элементарных популяций до генофонда всей ойкумены - и позволили получить принципиально новые характеристики рассмотренных генофондов. Однако разработанные технологии приложимы почти к любым живым организмам.
Цель исследования: разработка методов комплексного изучения генофонда, его географической дифференциации и факторов микроэволюции.
Задачи исследования.
1. Разработать новые методы и технолопію изучения закономерностей селективно-
нейтральной микроэволюции:
разработать технологию "стратиграфического" анализа селективно-нейтрального процесса в системах популяций;
определить параметры селективно-неПтрллыюго процесса в различных генофондах ойкумены.
2. Разработать методы и технологию изучения селективно-значимой микроэволю
ции (эффектов отбора):
разработать серию технологий оценивания эффектов отбора по і-тому гену через гетерогенность оценок межпопуляционного разнообразия Fstio;
создать технологию экспресс-диагностики эффектов отбора;
определить новую характеристику генофонда - селективную структуру - и изучить ее особенности в генофондах ойкумены. ' '
3. Разработать комплексную картографическую технологию изучения простран
ственной структуры генофонда:
картографического моделирования и анализа отдельного признака;
картографического моделирования и анализа совокупности признаков;
анализа закономерностей в пространственной изменчивости генофонда (тренды, корреляции, синтетические карты).
4. Разработать комплексную технолопію изучения микроэволюции подразделенной
популяции (на основе традиционных и модифицированных методов):
анализа частот генов (эмпирических и теоретических распределений);
анализа генетического разнообразия популяций (общего, межпопуляционного, гетерозиготности);
анализа селективной структуры;
провести комплексный анализ основных генофондов ойкумены.
Научная новизна. Содержание работы составляют новые методы, новые технологии и впервые выявленные на их основе закономерности и особенности в пространственной изменчивости различных генофондов ойкумены.
Впервые разработана технология комплексного анализа подразделенной популяции, объединяющая давно существующие и новые методы аналіпа распределений частот генов, генетического разнообразия и эффектов отбора. Впервые проведен комплексный анализ всех основных генофондов ойкумены. Обнаружено особое положение генофонда Северной Евразии среди анализируемых историко-географических регионов всей ойкумены: именно этот генофонд в наибольшей степени воспроизводит основные характеристики мирового генофонда в целом.
Впервые разработана технология "стратиграфического" ("stratum" - слой, пласт) анализа селективно-нейтрального процесса в популяционных системах и выявлена новая закономерность: "квантуемость" межпопуляционного разнообразия. Впервые проведено комплексное изучение селективно-нейтрального процесса в основных генофондах Северной Евразии: при комплексном использовании статистического и картографического анализа идентичной исходной информации.
Впервые разработана серия технологий изучения отбора по данным о пространственной изменчивости частоты гена. Для большого набора генов (более 80 иммуно-биохимических маркеров) для генофонда каждой части света выдвинута гипотеза действия отбора на каждый ген и дана количественная оценка интенсивности отбора. Впервые разработана экспресс-диагностика эффектов отбора. Проведен сравнительный анализ селективной структуры генофондов всех частей света и пяти генофондов Северной Евразии.
Впервые разработана геногеографическая технология, позволяющая проводить комплексный картографо-статистическии анализ генофонда. Технология обеспечивает компьютерное картографическое моделирование и анализ пространственной изменчивости отдельных признаков, их совокупностей и связей. Она позволяет осуществлять преобразования карт, проводить одно- и мноюмерный статистический анализ, выявлять основные закономерности геногеографических
.t
карт. Возможности технологии впервые продемонстрированы на широком спектре параметров пространственной изменчивости генофонда человека.
Новизна состоит в оригинальности технологий, объединяющих комплексный подход с современным методическим инструментарием. Технологии удовлетворяют требованиям и гибкости, и унифицированности, что позволяет проводить комплексное изучение генетической структуры популяций и сравнительный анализ пространственной изменчивости генофондов.
Практическая значимость. Разработанные подходы, методы и технологии имеют важное теоретическое, методическое и практическое значение; они применимы в широком спектре естественных и гуманитарных наук, включая теоретическую биологию, генетику, медицину, картографию, антропологию, зоологию, ботанику, этнографию, археологию и др. Созданные технологии и выявленные закономерности селективно-нейтральной эволюции популяционных систем позволяют проводить мониторинг природных и искусственно поддерживаемых популяций (Алтухов, 1995). Оценка селективной ценности отдельных генов и селективной структуры генофондов в целом позволяет отслеживать действие отбора в современных популяциях. Технологии позволяют как анализировать действие отдельных факторов микроэволюции, так и проводить комплексный анализ пространственной изменчивости генофонда. Компьютерное картографирование позволяет проводить комплексный анализ данных различных естественных (биология, география, медицина) и гуманитарных (археология, история, этнография) наук, решая общие и практические задачи этих наук.
Результаты работы уже использовались при изучении: генофондов разного масштаба - от отдельных народов (адыги, башкиры, мари, осетины, русские, белорусы) до крупных регионов (Кавказ, Восточная Европа, Урал, Сибирь, Северная Евразия); географии наследственных болезней (Марий Эл, Мордовия); пространственной изменчивости в Старом свете генов, связанных с гиполактазией и ВИЧ-1 инфекцией; микрогеографии культурных растений; популяционных систем ценных видов лососевых рыб; а также в учебном процессе Московского и Санкт-Петербургского университетов.
Положения, выносимые на защиту.
1. Созданные технологии обеспечивают многостороннее изучение генофонда и факторов его микроэволюции - отбора, дрейфа генов и миграций.
-
"Квантуемость" селективно-нейтрального процесса микроэволюции является эффективным инструментом анализа устойчивости и масштаба популяци-онных систем.
-
Созданные технологии оценки отбора через гетерогенность межпопуля-ционного разнообразия позволяют выдвигать гипотезу о типе и интенсивности действия отбора на ген.
-
Картографические технологии дают принципиально новую информацию о пространственной изменчивости отдельных генов, их совокупностей и связей.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на IV съезде ВОГиС (Кишинев,1982); Международном симпозиуме "Genetic Microdifterentiation in Human and Other Animal Populations" (Индия, 1984); IV и VII Всесоюзных симпозиумах "Молекулярные механизмы генетических процессов" (Москва, 1987, 1990); Международном симпозиуме "The Human Tide -Human Colonization and the Paleolithic Archaeological Records" (Moscow, 1993); Международном симпозиуме "Горизонты антропологии" (Москва, 1995); I Всероссийском съезде ВОГиС (Саратов, 1995); I и II Международных Конгрессах этнографов и антропологов (Рязань, 1995; Уфа, 1997); I конференции РО Европейской антропологической ассоциации "Новые методы - новые подходы в современной антропологии" (Москва, 1996); Международном конгрессе антропологов "Variation in the Human Genome: Acquiring, Handling and Storing the Date (Helsinki, 1997); I Международной конференции РО Европейской антропологической ассоциации "Раса: миф или реальность?" (Москва, 1998); II Всероссийском популяционном семинаре "Жизнь популяции в гетерогенной среде" (Йошкар-Ола, 1998); I школе ВОГиС "Экологическая генетика" (Санкт-Петербург, 1998); на научных семинарах Исторического музея, институтов Археологии РАН, ИОГен РАН, МГНЦ РАМН.
Публикации: по теме работы опубликовано 68 работ.
Структура и объем работы. Работа изложена на 280 страницах, построена в монографическом плане и содержит 7 глав: введение, изложение основных подходов к изучению генофонда, принципов организации данных и четыре главы с изложением четырех технологий изучения пространственной структуры генофонда; а также заключение, выводы, список литературы (375 источников, из которых 185 зарубежных) и 4 приложения. Работа иллюстрирована 37 таблицами и 68 рисунками.