CC BY
94
DOI: 10.23868/202104007
РАЗНООБРАЗИЕ ГАПЛОГРУППЫ R1a-Z2122 В СУБПОПУЛЯЦИЯХ БАЛКАРЦЕВ И КАРАЧАЕВЦЕВ ПО ДАННЫМ МИКРОСАТЕЛЛИТНОГО РАЗНООБРАЗИЯ
М.А. Джаубермезов1 2, Н.В. Екомасова1, 2, С.С. Литвинов2, /Поступи 16.œ2œ°
Е.А. Токарева1, ЯР. Г^идуллина1, Р.Р. Валиев1, А.Х. Нургалиева1, ^^ZZ^: Э.К. Хуснутдинова1, 2
1 Башкирский государственный университет, кафедра генетики и фундаментальной медицины, Уфа, Россия
2 Институт биохимии и генетики — обособленное структурное подразделение «Уфимского федерального исследовательского центра РАН», Уфа, Россия
DIVERSITY OF HAPLOGROUP R1A-Z2122 IN SUBPOPULATIONS OF BALKARS AND KARACHAYS ACCORDING TO MICROSATELLITE DIVERSITY
M.A. Dzhaubermezov1, 2, N.V. Ekomasova1, 2, S.S. Litvinov2, E.A. Tokareva1, L.R. Gabidullina1, R.R. Valiev1, A.Kh. Nurgalieva1, E.K. Khusnutdinova1, 2
1 Bashkir State University, Department of Genetics and Fundamental Medicine, Ufa, Russia
2 Institute of Biochemistry and Genetics — Subdivision of the Ufa Federal Research Centre of the RAS, Ufa, Russia
e-mail: murat-kbr@mail.ru
Карачаевцы и балкарцы являются одними из самых высокогорных тюркских народов в мире, а их генетическая предыстория остаётся мало изученной. Целью работы является всестороннее изучение гаплогруппы R1a-Z2122 Y-хромосомы в популяции карачаевцев и в субэтнических группах балкарцев. Материалом для исследования послужили образцы ДНК карачаевцев (n=126) и балкарцев (n=235).
Проведён анализ генетического разнообразия популяции карачаевцев и субпопуляций балкарцев, проживающих в центральной части Северо-Кавказского региона по данным о распределении гаплогрупп Y-SNP (single nucleotide polymorphism, однонуклеотидные полиморфизмы Y-хромосомы) и гаплоти-пов Y-STR (short tandem repeats, микросателлитные локусы Y-хромосомы). По результатам генотипирования гаплогруппы R1a-Z2122 в субпопуляциях балкарцев, гаплогруппа R1a-Z2122 выявлена с частотой 3,4%, а в популяции карачаевцев — 2,4%. В ходе изучения распространения данной гаплогруппы в субэтнических группах балкарцев показано ее высокое содержание в группе чегемцев, где она составляет 6,8% от разнообразия гаплогрупп Y-хромосомы. В группе баксанцев частота данной гаплогруппы снижается до 4,8%, среди безенгиевцев встречается у 2,6% населения, а среди малкарцев у 1,7%, в то время как в популяции холамцев данная гаплогруппа не обнаружена. Для анализа STR-гаплотипов Y-хромосомы было отобрано 11 образцов, относящихся к гаплогруппе R1a-Z2122. При построении медианной сети и круговой дендрограммы была показана существенная вариабельность внутри изученной выборки. Полученные данные могут быть использованы при разработке курсов для студентов биологических, исторических и медицинских специальностей. Созданную уникальную коллекцию ДНК образцов балкарцев и карачаевцев в последующем можно применять для проведения популяционных, эволюционных и медико-генетических исследований.
Ключевые слова: балкарцы, карачаевцы, Y-хромосома, Y-STR, R1a-Z2122, медианная сеть.
Being one of the most mountainous Turkic peoples in the world, the genetic background of the Karachais and Balkars remains poorly understood. The aim of this study is to comprehensively study the haplogroup R1a-Z2122 of the Y-chromosome in the population of Karachais and in the sub-ethnic groups of Balkars. The material for the study was DNA samples from Karachais (n = 126) and Balkars (n = 235).
The analysis of the genetic diversity of the population of Karachais and subpopulations of Balkars living in the central part of the North Caucasus region was carried out according to the data on the distribution of Y-SNP (Single nucleotide polymorphism) hap-logroups and Y-STR (Short tandem repeats) haplotypes. According to the results of genotyping of the R1a-Z2122 haplogroup in the Balkar subpopulations, the R1a-Z2122 haplogroup was detected with a frequency of 3.4%, and in the Karachai population — 2.4%. In the course of studying the distribution of this haplogroup in sub-ethnic groups of Balkars, its high content in the group of Chegemians was shown, where it is 6.8% of the diversity of hap-logroups of the Y-chromosome. In the group of Baksans, the frequency of this haplogroup decreases to 4.8%, among Bezengievs it is found in 2.6% of the population, and among Malkars in 1.7%, while this haplogroup was not found in the Kholam population. For the analysis of STR-haplotypes of the Y-chromosome, we selected 11 samples belonging to the haplogroup R1a-Z2122. As a result of the construction of the median network and the circular dendrogram, significant variability was shown within the studied sample. The data obtained by us as a result of the research can be used in the development of courses for students of biological, historical and medical specialties. The created unique collection of DNA samples from Balkars and Karachais can subsequently be used for population, evolutionary, and medico-genetic studies.
Keywords: Balkars, Karachays, Y-chromosome, Y-STR, R1a-Z2122, the median network.
Введение
Расселение и этногенез народов, проживающих на территории Северного Кавказа в настоящее время, вызывают особый интерес историков, антропологов, а в последнее время и генетиков. Балкарцы и карачаевцы, образуя единое население в языковом и культурном плане, являются субъект-образующими народами в двух пограничных республиках Северо-Кавказского федерального округа (Кабардино-Балкарская и Карачаево-Черкесская республики). Балкарцы делятся
на 5 субпопуляций: баксанцы, чегемцы, холамцы, без-енгиевцы и малкарцы. По данным переписи 2010 г. численность балкарцев в России составляет 112,9 тыс. человек, карачаевцев — 218,4 тыс. человек [1]. Генофонд балкарцев и карачаевцев ранее был подвергнут всестороннему изучению с использованием как однородитель-ских (маркеры Y-хромосомы и мтДНК), так и аутосомных маркеров [2-7]. К сожалению, большинство из этих исследований было проведено с использованием только маркеров Y-SNP (single nucleotide polymorphism,
однонуклеотидные полиморфизмы Y-хромосомы) с довольно низким филогенетическим разрешением. Кроме того, в проведенных работах отсутствовали данные по маркерам Y-STR (short tandem repeats, микросателлитные локусы Y-хромосомы). В связи с этим исследование редких и ранее практически не изученных гаплогрупп, таких как R1a-Z2122, является актуальным направлением в популяционной генетике.
Цель работы: всестороннее изучение гаплогруппы R1a-Z2122 в популяции карачаевцев и в субэтнических группах балкарцев с использованием 9 маркеров Y-SNP и 23 маркеров Y-STR с последующим определением времени существования последнего общего предка (tMRCA), а также исследование генетических взаимоотношений с другими популяциями народов Кавказа.
Материал и методы
Материалом для исследования служили образцы ДНК карачаевцев и субэтнических групп балкарцев, выделенные из цельной крови неродственных индивидов (табл. 1). Экспедиции по сбору биоматериала проходили в 2014-2015 гг. в местах компактного проживания балкарцев: в Чегемском, Черекском, Эльбрусском районах и Нальчике Кабардино-Балкарской республики. Выборка карачаевцев была составлена из представителей данного этноса, проживающих в Карачаево-Черкесской республике (Черкесск, Карачаевск, Малокарачаевский, Карачаевский, Усть-Джегутинский, Прикубанский районы). Также в работе была использована открытая база данных маркеров Y-STR коммерческой компании FamilyTreeDNA (США) [7].
Забор венозной крови осуществлял медицинский персонал в специализированных пунктах у мужчин, достигнувших 18-летнего возраста и заполнивших анкеты с указанием предков до третьего поколения, после подписания информированного согласия на участие в научном исследовании.
Таблица 1. Размер и структура выборки
Популяция Субпопуляция N
Балкарцы Баксанцы 42
Чегемцы 59
Холамцы 28
Безенгиевцы 38
Малкарцы 68
Карачаевцы Карачаевцы 126
Итого 361
Диаллельные маркеры. Для определения гаплогрупп Y хромосомы и проведения дальнейшей работы с образцами, относящимися к гаплогруппе R1a-Z2122, были проанализированы маркеры нерекомбинирующей области Y-хромосомы: M89, М9, 92R7, M207, Page07, Z93, Z95, Z2122 и М582. Гаплогруппы Y-хромосомы определяли согласно номенклатуре, предложенной Международным консорциумом по Y хромосоме с последующими исправлениями и дополнениями [8]. Полиморфизм диаллельных локусов Y-хромосомы изучали с использованием метода ПЦР с последующим ПДРФ (полиморфизм длин рестрикционных фрагментов) анализом. ПДРФ анализ проводили с помощью соответствующих рестриктаз фирм Fermentas (Литва)
и СибЭнзим (Россия). При отсутствии сайтов рестрикции анализ выполняли методом секвенирования на генетическом анализаторе Applied Biosystems 3500 (Thermo Fisher Scientific Inc., США).
Микросателлитные локусы DYS 19, DYS385, DYS389 I, DYS389 II, DYS390, DYS391, DYS392, DYS393, DYS437, DYS438, DYS439, DYS448, DYS456, DYS458, DYS481, DYS533, DYS549, DYS570, DYS576, DYS635, DYS643 и YGATAH4 были проанализированы на секвенаторе Applied Biosystems 3730xl (Thermo Fisher Scientific Inc., США).
Микросателлитные локусы Y-хромосомы были гено-типированы с использованием системы PowerPlex®Y23 (Promega, США). Каждый образец амплифицировали в 1 мкл реакционной смеси, содержащей 0,5 мкл 10х смеси праймеров PowerPlex®Y23 и 0,5 мкл ДНК. Схема реакции: первичная денатурация 96 °C, 2 мин.; 30 циклов амплификации с режимом: 94 °C, 10 сек., 61 °C, 1 мин., 72 °C, 30 сек. с последующим 20 мин. удержанием при 60 °C (конечная элонгация). Для разделения фрагментов, содержащих микросателлитные повторы, и их анализа готовили образцы: к 0,5 мкл разбавленного в соотношении 1:20 амплифицированного образца добавляли 9,5 мкл Hi-Fi™ Formamide, 0,35 мкл CC5 Internal Lane Standard 500 (ILS) и 1 мкл allelic ladder («аллельная лестница»).
Статистический анализ
Программное обеспечение GeneMapper®ID версии 3.0 (Life Technologies™, США) использовали для определения размеров микросателлитных фрагментов. Эволюционное дерево генерировали при помощи программного обеспечения Network 4.6 (Fluxus Technology Ltd., Великобритания). Дендрограммы строили на специализированной платформе http:// scaledinnovation.com/.
Результаты и обсуждение
В популяциях народов Кавказа гаплогруппа R1a-Z2122 встречается с крайне низкими частотами и по литературным данным максимальных значений достигает в популяции мегрелов [9]. Ранее гаплогруппа R1a-Z2122 (xM582) была обнаружена у носителей новоарамейского языка, в то время как гаплогруппа R1a-M582 характерна для еврейского населения [10]. Гаплогруппа R1a-Z2122 нами была выявлена в популяции карачаевцев с частотой 2,4%, в общей выборке балкарцев — с частотой 3,4%. Важно отметить, что в субпопуляции чегемцев частота R1a-Z2122 составляет 6,8%, и это является абсолютным максимумом для всех изученных народов региона. Все образцы были проверены на маркер нерекомбинирую-щей области Y-хромосомы М582, но ни один из исследованных нами образцов не относился к гаплогруппе R1a-M582. Для углубленного изучения гаплогруппы R1a-Z2122 было произведено гаплотипирование 23 микросателлитных локусов Y-хромосомы (Y-STR) с последующим построением медианной сети (рис. 1, табл. 2). Для определения характера взаимоотношений гаплотипов индивидов с гаплогруппой R1a-Z2122 в выборке балкарцев и карачаевцев была построена медианная сеть по данным о микросател-литных локусах Y-хромосомы (табл. 2).
Крайне скудные данные о распределении гаплотипов микросателлитных локусов Y-хромосомы в популяциях народов мира не позволили определить генетическую
^карачаевцы П чегемцы
□ малкарцы Ибезенгиевцы
□ баксанцы
Рис. 1. Медианная сеть по данным STR-гаплотипов гаплогруппы R1a-Z2122 Y-хромосомы
Таблица 2. Микросателлитное разнообразие гаплогруппы R1a-Z2122 Y-хромосомы в популяции балкарцев и карачаевцев
* СП г- ю со со со со со ата со со о СП со СП со 0J СП со со СП со [V со СО со СП со со ST со ю со ю со со со ю СП ю о [V ю со [V ю ю со CD со CD ST I < 1-
S S S S S S S S S S S СП СП СП СП СП СП СП СП СП СП <r
Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y CT
популяция гаплогруппа Q D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D Y
карачаевец R1a-Z2122 16 11,14 13 31 25 10 11 14 14 11 10 20 14 15 23 12 12 18 14 23 10 12
карачаевец R1a-Z2122 16 11,15 13 31 26 11 11 13 14 11 10 20 16 16 23 12 12 21 14 23 11 12
карачаевец R1a-Z2122 17 12,14 13 31 25 10 11 14 14 11 10 20 14 15 23 12 12 18 14 23 10 12
чегемец R1a-Z2122 15 11,15 13 30 26 11 11 13 15 11 10 20 15 16 23 12 13 22 14 23 10 12
малкарец R1a-Z2122 16 11,14 13 31 25 10 11 14 14 11 10 20 15 15 23 12 12 18 14 23 10 12
безенги. R1a-Z2122 17 11,13 13 31 25 11 11 14 14 11 10 20 16 16 23 12 12 22 14 23 11 12
чегемец R1a-Z2122 16 11,14 13 31 25 10 11 14 14 11 11 20 15 15 23 12 12 18 14 23 10 12
баксанец R1a-Z2122 16 11,15 13 31 25 11 11 13 14 11 10 20 16 16 23 12 12 21 14 23 11 12
чегемец R1a-Z2122 16 11,14 13 31 25 11 11 14 14 11 10 20 16 15 23 12 12 19 14 23 10 13
баксанец R1a-Z2122 16 10,16 13 31 25 10 11 14 14 11 10 20 15 15 23 12 12 18 14 24 10 13
чегемец R1a-Z2122 16 11,15 13 31 25 11 11 13 14 11 10 20 16 16 23 12 12 21 14 23 11 14
Примечание: *DYS19 (DNA Y-chromosome Segment 19) — наименование микросателлитных маркеров Y-хромосомы
связь по данному показателю между народами центральной части Северо-Кавказского региона и другими регионами, но выявили существенную вариабельность внутри нашей выборки. Для определения генетических взаимосвязей между популяциями народов Кавказа нами была построена дендрограмма (рис. 2) с использованием 37 маркерных гаплотипов ^-БТП), полученных из открытой базы данных коммерческой компании Рат1!уТпее01\1Д [7].
Рис. 2. Дендрограмма по данным 37 маркерных гаплотипов (Y-STR) представителей гаплогруппы R1a-Z2122 Y-хромосомы
На дендрограмме показана кластеризация и значительное удаление представителей этнотерриториальных групп грузин (сваны и кахетинец) от балкарских и карачаевских индивидов, что указывает на наличие различных ветвей гаплогруппы R1a-Z2122, а, следовательно, и разных путей проникновения данной гаплогруппы в центральные районы Северного и Южного Кавказа. При расчёте времени существования последнего общего предка (tMRCA) [11] была вычислена скорость мутаций, которая составила 0,00231 на локус на одно поколение, и наиболее точные данные были показаны для диапазона 50-200 поколений [12]. Время существования последнего общего предка, вычисленное при сравнительном анализе образцов ДНК балкарцев и карачаевцев, попадает в указанный доверительный диапазон, 100 поколений, что составляет 2500 лет тому назад (V в. до н. э.). Последний общий предок из этнотерриториальных групп грузин и из популяции карачаевцев и балкарцев [12] проживал более 400 поколений назад, что не входит в указанный доверительный интервал.
Выводы
В результате проведенного исследования было показано, что частота гаплогруппы R1a-Z2122 в популяции балкарцев составляет 3,4%, а в популяции карачаевцев — 2,4%. В субэтнических группах балкарцев было обнаружено ее высокое содержание в группе чегемцев, где данная гаплогруппа составила 6,8% от всего разнообразия гаплогрупп Y-хромосомы. Было выявлено, что в субпопуляции баксанцев частота гаплогруппы R1a-Z2122 снижается до 4,8%, среди безенгиевцев до 2,6%, а у малкарцев — до 1,7%, в то время как в субпопуляции
холамцев данная гаплогруппа не была зарегистрирована. По результатам построения дендрограммы и медианной сети была показана значительная вариабельность внутри изученной выборки балкарцев и карачаевцев, а также их существенное отличие от представителей этнотерриториальных групп грузин.
Благодарности
Исследование выполнено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ ^>Ми-2020-0027). Работа получила финансовую поддержку Российского фонда фундаментальных исследований (19-04-01195А).
ЛИТЕРАТУРА [REFERENCES]:
1. Федеральная служба государственной статистики, http://www. gks.ru [Federal State Statistics Service, http://www.gks.ru].
2. Bulayeva K., Jorde L., Ostler C. et. al. Genetics and population history of Caucasus populations. Hum. Biol. 2003; 75(6): 837-53.
3. Roostalu U., Kutuev I., Loogvali E.-L. et. al. Origin and Expansion of Haplogroup H, the Dominant Human Mitochondrial DNA Lineage in West Eurasia: the Near Eastern and Caucasian Perspective. Mol. Biol. Evol. 2007; 24(2): 436-48.
4. Yunusbayev B., Metspalu M., Jarve M. et al. The Caucasus as an asymmetric semipermeable barrier to ancient human migrations. Mol. Biol. Evol. 2012; 29(1): 359-65.
5. Khusnutdinova E.K., Litvinov S.S., Kutuev I.A. et al. Gene pool of ethnic groups of the Caucasus: Results of integrated study of the Y chromosome and mitochondrial DNA and genome-wide data. Rus. J. Genetics 2012; 48(6): 640-50.
6. Схаляхо Р.А. Тюрки Кавказа: сравнительный анализ генофондов по данным о Y-хромосоме. Вестник Московского университета. Серия XXIII. Антропология 2013; 2: 34-48. [Shalyakho R.A Türks of the Caucasus:
a comparative analysis of gene pools according to data on the Y-chromosome. Moscow University Bulletin. Series XXIII. Anthropology 2013; 2: 34-48].
7. FamilyTree DNA, www.familytreedna.com.
8. Karafet T.M., Mendez F.L., Meilerman M.B. et. al. New binary polymorphisms reshape and increase resolution of the human Y chromosomal haplogroup tree. Genome Res. 2008; 18 (5): 830-8.
9. Кутуев И.А., Хуснутдинова Э.К. Генетическая структура и молекулярная филогеография народов Евразии. Уфа: Гилем; 2011. [Kutuev I.A., Khusnutdinova E.K. Genetic structure and molecular phylogeography of the peoples of Eurasia. Ufa: Gilem; 2011].
10. Rootsi S., Behar D.M., Järve M. et al. Phylogenetic applications of whole Y-chromosome sequences and the Near Eastern origin of Ashke-nazi Levites. Nat. Commun. 2013; 4: 2928.
11. Walsh B. Estimating the time to the most recent common ancestor for the Y chromosome or mitochondrial DNA for a pair of individuals. Genetics 2001; 158(2): 897-912.
12. Tracking Back. A website for genetic genealogy tools, experimentation, and discussion, http://scaledinnovation.com/gg/gg.html.
