CC BY
206
УДК 577.17
АНАЛИЗ ГАПЛОГРУПП Y-ХРОМОСОМЫ В ВОСТОЧНОСЛАВЯНСКОМ ГЕНОФОНДЕ
И.Н. Лепендина 1 ЛА Цапкова 1 Е.В. Балановская 2 М.И. Чурносов 1
1 Белгородский
государственный
университет
2Медико-генетический научный центр РАМН
e-mail: [email protected]
В рамках работы впервые изучен генофонд коренного русского и украинского населения Белгородской области по данным о полиморфизме У-хромосомы. Установлены основные гаплогруппы, являющиеся основой мужского генофонда белгородской популяции. Проведен филогенетический анализ и рассчитан возраст основных гаплог-рупп У-хромосомы, характерных для населения области.
Ключевые слова: полиморфизм У-хромосомы, гапло-группа, гаплотип, филогенетический анализ, генофонд населения, ДНК-маркеры
Введение. Исследования, связанные с анализом происхождения и эволюционной истории популяций человека, в настоящее время являются наиболее актуальными в популяционной генетике. Данные о структуре генофондов современных популяций могут отражать основные микроэволюционные процессы в историческом прошлом этих популяций [1, 2].
Одним из подходов в изучении генетической структуры популяций человека является анализ гаплогрупп У-хромосомы. Благодаря своим генетическим свойствам -гаплоидность, передача по отцовской линии, отсутствие рекомбинаций, У-хромосома зарекомендовала себя как высокоперспективный маркер и широко используется в популяционно-генетических исследованиях. При отсутствии рекомбинаций и небольшой эффективной численности У-хромосома в большей степени, чем аутосомы и мтДНК, подвержена эффектам генетического дрейфа и характеризуется большей степенью популяционной вариабельности, что приводит к высокому уровню географической дифференциации, которая может быть использована для исследования миграционных событий в истории тех или иных народов.
Полиморфизм У-хромосомы широко изучен во многих мировых популяциях [3, 4, 5, 6]. В настоящее время идет активное накопление информации по маркерам У-хромосомы в различных расово-этнических группах как в пределах России, так и в странах ближнего зарубежья [7, 8]. Тем не менее, полиморфизм У-хромосомы недостаточно изучен как в популяциях русских, так и у восточных славян в целом. Имеется лишь незначительное количество работ, посвященных этому вопросу.
Изучение населения Белгородской области является особо актуальным, так как, во-первых, территория современной Белгородской области представляет южные районы исконного ареала русского народа, а сам город Белгород с окружающими его поселениями был основан в XVI в. в составе оборонительной черты у южной границы Руси. Во-вторых, популяция Белгородской области, территориально расположенная на стыке России и Украины, в XVI-XVII вв. формировалась под значимым влиянием как русского, так и украинского этносов. В-третьих, до настоящего времени практически не изучены особенности полиморфизма У-хромосомы в русских популяциях, располагающихся в смежных областях расселения восточнославянских народов, не оценивалось их место в системе восточнославянского генофонда. Таким образом, Белгородская область может служить адекватной моделью для изучения генофонда двух основных восточнославянских групп - русских и украинцев.
В генофонде восточных славян представлены различные по времени и месту происхождения гаплогруппы У-хромосомы, которые являются результатом миграций
различных этнических групп в историческом прошлом [з, 7, 8, 9]. Поэтому анализ гаплогрупп в генофонде восточных славян необходим для понимания процессов этногенеза и расселения современного человека на планете.
Объекты и методы исследования. В рамках данной работы проведено изучение генетической структуры русских и украинских популяций по данным о полиморфизме Y-хромосомы - рассмотрено 20 диаллельных маркеров (Mi (YAP), М9, М17, М46 (Tat), М70, M78, M170, M172, M173, M178, M201, M223, M231, M242, M253, М269, 12F2, Р37, P43, 92R7).
Моделью исследования послужило русское и украинское население Белгородской области Российской Федерации. Географически эту область относят к южной части Центральной России. Территориально область располагается на границе с Украиной (Сумской и Харьковской областями), с севера и северо-запада - с Курской областью, а с востока - с Воронежской. Территория Белгородской области входит в исконный ареал расселения восточных славян, однако ее население формировалось под действием разнонаправленных миграционных волн как русских, так и украинцев, что делает ее привлекательной моделью для изучения.
Общий объем генетически изученной выборки составил 403 человека, из которых 350 коренных русских жителей проживающих в Яковлевском (140 человек), Прохоровском (114 человек), Красненском (96 человек) районах и 53 коренных украинских жителя, проживающих в Красногвардейском (33 человека) и Грайворонском районах Белгородской области (20 человек). Выборка формировалась из неродственных лиц (до третьей степени родства), все предки которых (на глубину не менее трех поколений по мужской линии) относятся к русскому или украинскому этносу и происходят из данной популяции. Забор образцов крови проводился согласно международным стандартам с письменного согласия обследуемых и под контролем Этической комиссии ГУ МГНЦ РАМН.
Материалом для исследования послужила венозная кровь в объеме 8-9 мл, взятая из локтевой вены обследуемого. ДНК выделяли из периферической крови методом фенольно-хлороформной экстракции.
В соответствии с классификацией гаплогрупп предложенной Консорциумом по исследованию Y-хромосомы (The Y-Chromosomal Consortium, 2002) нами изучен полиморфизм 20 диаллельных локусов нерекомбинирующей части Y-хромосомы: M1 (YAP), М9, М17, М46 (Tat), М70, M78, M170, M172, M173, M178, M201, M223, M231, M242, M253, М269, 12F2, Р37, P43, 92R7. Выбор именно этой панели маркеров обусловлен их информативностью для изучения восточнославянских генофондов. Генотипирование диал-лельных маркеров осуществляли с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) и последующего ПДРФ-анализа фрагментов ДНК в агарозном геле, либо непосредственным разделением продуктов с помощью аллель-специфичной ПЦР.
Статистический анализ. Для расчета частот генов, генного разнообразия, генетической дифференциации популяций были использованы стандартные статистические методы [10]. Ожидаемую гетерозиготность, индекс разнообразия гаплоти-пов (Dhg) рассчитывали по Nei.
Филогенетические взаимоотношения микросателлитных гаплотипов внутри гаплогрупп и их разнообразие выявляли путем построения филогенетических деревьев по методу медианных сетей с использованием программы Network 4.0.
Оценку времени, за которое было генерировано наблюдаемое разнообразие гаплотипов в гаплогруппах, оценивали двумя методами: 1) на основании средних квадратных различий в числе повторов по каждому локусу между всеми хромосомами и гаплотипом-основателем, 2) с помощью оценки генетической дистанции р, рассчитываемой как среднее число мутационных шагов от гаплотипа-основателя ко всем остальным гаплотипам в составе медианной сети. Время дивергенции популяций рассчитывали с использованием TD-статистики [10].
Попарное сравнение популяций по частотам аллелей локусов проводили с помощью критерия х2. Генетические характеристики разнообразия популяций оценивались при помощи коэффициента генной дифференциации (Gst) [10].
Результаты и обсуждение. Анализ распределения гаплогрупп Y-хромосомы у коренного русского и украинского населения Белгородской области. В результате изучения распределения гаплогрупп Y-хромосомы у населения Белгородской области выявлено 16 гаплогрупп. Их частоты составили: Rial - 55,82%, lib -14,64%, N3 - 10,92%, Iia - 4,23%, Rib3 - 2,98%, J2 - 2,48%, E3bi - 2,48%, Ri - 1,74%, К2 - 0,99%, N2 - 0,74%, Iic - 0,50%, J - 0,50%, D и E - 0,50%, G - 0,50%, K - 0,25%, Q - 0,23%.
У русского населения области были установлены все 16 указанных гаплогрупп. Выше однопроцентного порога встречались 9 гаплогрупп - Riai, Iib, N3, Iia, Rib3, J2, Ri, К2, E3bi, из которых наиболее частыми оказались 3 гаплогруппы Rial (57.14%), Iib (13.72%), N3 (11.71%). Частота остальных гаплогрупп N2, Iic, J, Q, D и E, G, К не достигала 1%-го уровня. У украинцев было обнаружено 10 гаплогрупп - Riai, Ri, Rib3, N2, N3, Iia, Iib, J2, D,E, E3bi. Самыми частыми оказались 4 гаплогруппы - Riai (47,i7%), Iib (20,75%), E3bi (ii,32%), N3 (5,66%).
Сравнивая вариабельность частот аллелей у русского и украинского населения Белгородской области с данными по русскому генофонду, можно выделить следующие особенности.
Во-первых, частоты гаплогрупп Riai и Iib среди русского населения Белгородской области достоверно выше среднерусских показателей (р<0,05-0,001), а распределение гаплогрупп N3 и Rib3 - ниже среднерусских значений (р<0,05-0,001). Концентрация гаплогрупп Iia, J2, E3bi у русских Белгородской области соответствовала их средним частотам в русских популяциях (рис.1).
60
50
40
30
20
10
0
R1 а1
11 b
N3
R1 Ь3
□ русское население Белгородской облас- В «среднерусская» популяция ти
Рис. 1. Средние частоты ряда гаплогрупп У-хромосомы среди русского населения и населения Белгородской области
Во-вторых, у русского населения Белгородской области выявлен тренд повышения частот гаплогруппы ЕзЬ1 и снижения концентрации гаплогруппы ИтЬз с запада на восток.
В-третьих, русское и украинское население Белгородской области по частотам гаплогрупп У-хромосомы не отличается, за исключением гаплогруппы ЕзЬ1, концентрация которой у украинцев (11,32%) оказалась достоверно (р<0,001) на порядок выше, чем у русских (1,14%).
Генетическая дифференциация населения Белгородской области по маркерам У-хромосомы.
При исследовании генного разнообразия белгородской популяции установлено, что средний уровень генной дифференциации русского населения Белгородской
области, оцененный по данным о частотах 16 гаплогрупп Y- хромосомы, составил GsT^iû2 = 0,78, а по данным о частотах 63 аллелей 7 STR локусов Y- хромосомы -GsT^iû2 =0,66. Таким образом, по данным двух систем (SNP и STR) Y-хромосомы получены примерно одинаковые значения уровня генной дифференциации белгородской популяции, что гораздо выше уровня генетического разнообразия полученного как по аутосомным ДНК маркерам d=0,006 так и по иммуно-биохимическим маркерам d = 0,007 [13,14]-
Для оценки степени значимости гетерогенности генофонда русского населения Белгородской области в системе русского генофонда, мы сравнили уровень генетической дифференциации русского населения с генетической изменчивостью всего русского народа. В связи с тем, что в доступной нам литературе имеются данные о генетической гетерогенности русского народа по SNP маркерам Y-хромосомы, оцененной лишь с использованием показателя генетических расстояний (d) [8], для такого сравнительного анализа мы тоже произвели расчет генетических расстояний между изученными популяциями Белгородской области через показатель (d). Средние генетические расстояния по гаплогруппам Y-хромосомы в общерусском генофонде составили d=0,i36, а гетерогенность русского населения Белгородской области по нашим данным - d=0,022. Итак, как видно, уровень генной дифференциации русского населения Белгородской области по SNP маркерам Y-хромосомы ниже дифференциации русского генофонда в целом. Однако разнообразие русского населения Белгородской области, которое охватывает небольшой круг достаточно близко расположенных популяций, и представляет собой лишь небольшую часть всего русского народа, оказалось весьма существенным - на популяции Белгородской области приходится около 20% всего разнообразия русского генофонда. Аналогичные данные были получены нами ранее по иммуно-биохимическим маркерам. Было установлено, что на популяции юга Центральной России приходится около 25% всего разнообразия русского генофонда.
Выполненный нами сравнительный анализ генетической изменчивости русского населения Белгородской области с использованием различных систем генетических маркеров показал, что гетерогенность русского населения области, оцененная по SNP маркерам Y-хромосомы (d=0,022), существенно выше (в 3 раза) аналогичного показателя, полученного как по аутосомным ДНК маркерам d=0,006, так и по иммуно-биохимическим маркерам d=0,007. В русском генофонде средние генетические расстояния по SNP маркерам Y-хромосомы d = 0,136 также существенно выше, чем по иммуно-биохимическим маркерам d=0,0i3 [8,12].
Филогенетический анализ микросателлитных гаплотипов внутри гаплогрупп.
Филогенетические взаимоотношения микросателлитных гаплотипов внутри гаплогрупп и их разнообразие выявляли путем построения филогенетических деревьев по методу медианных сетей с использованием программы Network 4.0. Медианные сети строили для шести основных гаплогрупп, характерных для русского и украинского населения Белгородской области в целом - Iia, Iib, J2, N3, Riai, Rib3. С целью получения наиболее адекватной картины эволюционных взаимоотношений между гаплотипами в гаплогруппах медианные сети строили по собственным и доступным нам литературным данным.
На рис. 2 представлена медианная сеть самой распространенной среди населения Белгородской области гаплогруппы Ria1. Данная гаплогруппа характеризуется высокими показателями гаплотипического разнообразия.
Медианная сеть гаплогруппы Ria1 имеет сложную структуру с множеством ре-тикуляций и характеризуется накоплением отдельных гаплотипов. Предполагаемый предковый гаплотип данной гаплогруппы (на рисунке обозначен стрелкой) имеет аллельную структуру ii/i4-i2-25-ii-ii-i3-i6 (для DYS38sa/b-388-390-39i-392-393-i9 соответственно). Характерны высокая частота гаплотипа-основателя и его минимальное среднее расстояние (по числу мутационных шагов) от других гаплотипов в выборке.
Рис. 2. Медианная сеть микросателлитных гаплотипов гаплогруппы Rial у русского и украинского населения Белгородской области
Оценка возраста гаплогрупп
Оценку возраста проводили для шести основных гаплогрупп (Rial, Iib, N3, Iia, Rib3, J2), выявленных у населения Белгородской области по собственным данным, а также по собственным вместе с мировыми данными. Оценку проводили двумя методами: l) на основании средних квадратных различий в числе повторов по каждому локусу между всеми хромосомами и гаплотипом-основателем, 2) с помощью оценки генетической дистанции p рассчитываемой как среднее число мутационных шагов от гаплотипа-основателя ко всем остальным гаплотипам в составе медианной сети. Частоту мутаций микросателлитных локусов в обоих случаях определяли как равную 6,9*i0-4 на локус за 25 лет. При расчете возраста гаплогрупп с помощью p основывались на том, что для системы из семи микросателлитных локусов генетическому расстоянию p = l соответствует время, равное 5l76 годам (пересчет выбранного темпа мутирования на одну мутацию). Из-за отсутствия в мировых данных в аллельной композиции гаплотипов локуса DYS3S5a/b для гаплогрупп Iib, Iia, Rib3 и локуса DYS388 для гаплогруппы N3, для этих гаплогрупп оценку возраста проводили на основании панели из шести локусов, и в соответствии с этим пересчет темпа мутирования на одну мутацию в данном случае оказался равным 6039 годам. Оценки возраста шести основных гаплогрупп, выявленных у населения Белгородской области, представлены в таблице.
По полученным нами результатам наиболее молодыми являются гаплогруппы Riai, Iib, N3, Iia, Rib3. Наиболее древней оказалась гаплогруппа J2. Оценки возраста гаплогрупп Iia, Iib, Rib3, полученные по собственным данным, оказались несколько выше аналогичных оценок с включением мировых. Следует отметить, что расчеты по суммарному набору данных более точны, так как более правильно отражают общее гаплотипическое разнообразие в пределах гаплогрупп, что приводит к уточнению возраста. В небольшом наборе данных происходит накопление отдельных гаплоти-пов с частотой, не характерной для всего мирового разнообразия, что может завы-
03 •
04
о
о 1 Q Русские
О 2
Украинцы
шать среднее отличие повторов от предкового гаплотипа и увеличивать возраст гап-логрупп. В связи с этим необходимо отметить, что датировку возраста гаплогруппы Л2 следует рассматривать с осторожностью, так как расчеты производились на ограниченном наборе данных, из-за отсутствия в доступной нам литературе информации о мировом разнообразии гаплотипов в пределах гаплогруппы Л".
Таблица
Оценка возраста шести основных гаплогрупп белгородской популяции
Гаплогруппа Время генерации разнообразия в гаплогруппах, тыс. лет.
по Zhivotovsry et al., 2004 по Forster et al., 1996, 2000
Собственные данные Собственные, вместе с мировыми Собственные данные Собственные, вместе с мировыми
R1a1 9,55±3,07 11,44±3,87 9,38±2,64 10,76±2,45
I1b 10,62±3,24 6,74±2,45 9,80±1,99 5,14±1,26
N3 8,63±2,61 9,52±1,92 10,35±3,07 9,08±2,22
I1a 11,99±2,31 9,00±3,19 11,87±2,81 7,38±1,91
R1b3 18,12±4,60 12,72±3,06 14,73±3,96 11,19±3,07
J2 25,36±7,44 - 24,47±7,56 -
Оценки времени происхождения гаплотипического разнообразия внутри гаплогрупп, полученные в нашем исследовании в целом близки к оценкам возраста гаплогрупп по данным других авторов. Лишь для гаплогруппы Rial полученная нами оценка возраста оказалась несколько ниже датировок, приводимых другими авторами.
Выводы.
1. Дана характеристика структуры генофонда русских и украинских популяций Белгородской области (5 популяций, 403 человека) по данным о распределении частот 16 гаплогрупп.
2. Генетическая дифференциация населения Белгородской области по гапло-группам Y-хромосомы (d=0,022) выше аналогичных показателей по аутосомным ДНК (d = 0,006) и иммунно-биохимическим (d=0,007) маркерам.
3. Оценки времени накопления генетического разнообразия и времени дивергенции этносов для большинства гаплогрупп восходят к эпохе мезолита.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы “Научные и научнопедагогические кадры инновационной России" (государственный контракт №02.740.11.0496 “Генетические факторы мультифакториальнъх заболеваний человека").
Литература
1. Рычков, Ю.Г. Генофонд и геногеография народонаселения. Генофонд населения России и сопредельных стран. / Под ред. Ю.Г. Рычкова. - СПб.: Наука, 2000. - т.1. - 611 с.
2. Алтухов, Ю.П. Генетические процессы в популяциях. Монография / Ю.П. Алтухов-М.: Наука, 2003. - 431с.
3. Степанов, В.А. Этногеномика населения Северной Евразии. Монография / В.А. Степанов - Томск.: Печатная мануфактура, 2002. - 243 с.
4. Rosser, Z.H. Y-chromosomal diversity in Europe Is Clinal and Influetieed Primarily by Geography, Rather than by Language/ Z.H. Rosser, T. Zerjal, M.E. Hurles et al. // Am. J. Hum. Genet. - 2000. - V.67. - P.1526-1543
5. Semino, O. Origin, Diffusion, and Differentiation of Y-Chromosome Haplogroups E and J: Inferences on the Neolithization of Europe and Later Migratory Events in the Mediterranean Area/ O. Semino, C. Magri, G. Benuzzi et al. // Am. J. Hum. Genet. - 2004. - V. 74. - P.1023-1034
6. Seielstad, M.T. A Novel Y-Chromosome Variant Puts an Upper Limit on the Timing of First Entry into the Americas/ M.T. Seielstad, N. Yuldasheva, N. Singh et al. // Am. J. Hum. Genet. -2003. - V.73. - P.700-705.
7. Лимборская, С.А. Этногеномика и геногеография народов Восточной Европы / С.А. Лимборская, Э.К. Хуснутдинова, Е.В.Балановская. - М.: Наука, 2002. - 261 с.
8. Балановская, Е.В. Русский генофонд. Взгляд в прошлое / Е.В. Балановская, О.П. Балановский. - М.: Луч, 2006. - 134 с.
9. Седов, В. В. Славяне: историко-археологическое исследование. Монография / В. В. Седов - Москва, 2002. - 628 с.
10. Животовский Л.А. Микросателлитная изменчивость в популяциях человека и методы ее изучения / Животовский Л.А. / / Вестник ВОГиС. - 2006. т.10., №1. - С.74-96.
11. Дерябин, В.Е. Многомерные биометрические методы для антропологов. Монография / В.Е. Дерябин. - М.: ВИНИТИ, 2001. - С. 105-265
12. Чурносов, М.И. Материалы по изучению структуры генофонда русского населения Центральной России/ М.И. Чурносов, В.Ю. Песик, Н.А. Рудых, И.Н. Сорокина, Л.А. Цапкова, В.С. Ващилин, И.Н. Лепендина, И.К. Аристова, М.С. Жерлицына, Е.В. Балановская // Медицинская генетика. - 2005. - Т.4. №6. С.289.
13. Лепендина, И.Н. Генофонд населения Белгородской области. Распределение им-мунобиохимических маркеров генов/ И.Н. Лепендина Е.В. Балановская, М.И. Чурносов // Генетика. - 2008. - т. 44, № 4. - с. 543 - 557.
14. Лепендина, И.Н. Генофонд населения Белгородской области. Изучение биохимических маркеров генов в популяциях Украины, Белоруссии и положение белгородской популяции в системе восточнославянского генофонда/ И.Н. Лепендина, М.И. Чурносов, Л.А Арта-ментова, М.А. Ищук, О.В. Тегако, Л.И. Тегако, Е.В. Балановская // Генетика. - 2008. - т. 44, № 4. - с. 548 - 569.
THE ANALYSIS OF HAPLOGROUP Y-CHROMOSOMES IN AN EAST SLAVIC GENOFOND
l.N.Lependina1
LA.Tsapkova1 E.V. Balanovskaia2 M.l.Churnosov1
Within the limits of work the genofund of radical Russian and the Ukrainian population of the Belgorod region by data about polymorphism of a Y-chromosome for the first time is studied. The cores, being a basis of a man's genofund of the Belgorod population are established. The phylogenetic analysis is carried out and the age of the cores haplogroups Y-chromosomes, characteristic for the area population is calculated.
1Belgorod State University
2Mediko-genetic centre of science of the Russian Academy ofMedical Science
Key words: polymorphism of Y-chromosome, haplogroup, the phylogenetic analysis, a population genofund, DNA-markers.
e-mail: [email protected]
