CC BY
117
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА Том 149, кн. 2 Естественные науки 2007
УДК 575.174:599.9
СТРУКТУРА ЯДЕРНОГО ГЕНОФОНДА ПОВОЛЖСКИХ ТАТАР (ПО ДАННЫМ АУТОСОМНЫХ МИКРОСАТЕЛЛИТНЫХ ЛОКУСОВ)
О.А. Кравцова
Аннотация
По 11 аутосомным микросателлитным локусам (8ТЯ) охарактеризован генофонд современной популяции татар, представленной двумя субэтническими группами как-занских татар (Азнакаевский район, N = 135) и татар-мишар (Буинский район, N = 141). Анализ распределения частот аллелей и генотипов показал значимое отклонение от равновесия Харди-Вайнберга по 6 локусам в популяциях Азнакаевского и Буинского р-нов, обусловленное недостатков гетерозиготных индивидуумов. При этом не было обнаружено статистически значимых различий в распределении аллелей по 8 локусам, тогда как по 3 8ТЯ (ГвЛ, ТРОХ и Б21811) наблюдаются значимые различия между исследованными группами татар. По данным о распределении частот аллелей 3 локу-сов, находящихся в равновесии (Б381358, Б58818, vWA), рассчитаны генетические расстояния по Нею между популяцией татар и некоторыми популяциями мира, тем самым определено их местоположение в системе мирового генофонда.
Посвящается памяти А.Н. Аскаровой
Введение
Вопросы происхождения любого этноса в силу многогранности процесса являются в науке достаточно трудной проблемой. К числу наиболее перспективных подходов для изучения генетической истории народов относится анализ изменчивости высокополиморфных генетических систем [1]. Огромное количество полиморфных маркеров, выявленное при расшифровке генома человека, является мощным инструментом для анализа генофонда, его основных характеристик, динамики, истории и географии. Многочисленные исследования полиморфных систем ядерного и митохондриального геномов привели к развитию нового раздела геномики - этногеномики [2]. На сегодняшний день накоплен большой объем данных по полиморфизму аутосомных микросател-литных локусов, микросателлитов У-хромосомы и вариабельности митохондриального генома в различных популяциях мира.
Несмотря на это, регион Среднего Поволжья, входящий в состав ВолгоУральского региона, до сих пор является малоизученной территорией. Популяционно-генетические исследования народов Среднего Поволжья в основном носят фрагментарный характер как в отношении изученных популяций, так и в
отношении генетических маркеров. Наиболее изученными в этом плане являются популяции башкир и чувашей [2, 3], тогда как данные о генофонде татар, представляющих основное население Среднего Поволжья, являются неполными и разрозненными.
Исследование генофонда поволжских татар направлено, прежде всего, на выяснение определенного генетического своеобразия, которое формировалось в результате длительного контакта двух рас - европеоидной и монголоидной [4]. Ранее нами был охарактеризован полиморфизм мтДНК в современных популяций татар, который позволяет проследить формирование популяций по материнской линии [5], однако представляет интерес выявить вклад обоих полов в генетическое разнообразие и формирование современного генофонда татар на основе аутосомных микросателлитных локусов (STR).
В связи с вышесказанным, целью данной работы явилась сравнительная характеристика 11 STR-локусов в современных популяциях поволжских татар, представленных двумя субэтническими группами казанских татар и татар-мишерей.
Материалы и методы
Материалом для исследования генофонда современного населения Республики Татарстан (РТ) служили образцы ДНК неродственных индивидов, представляющих две этнографические группы татар: казанские татары и татары-ми-шары. Выборка казанских татар набрана в Азнакаевском районе РТ (N = 135), татары-мишары представлены дисперсной выборкой из Буинского района РТ (N = 141). Материал собран в ходе экспедиционных выездов в 2004-2005 гг. Этническую принадлежность выясняли путем индивидуального анкетирования, учитывая данные до третьего поколения.
Тотальный препарат ДНК из 4 мл периферической крови современного населения выделяли стандартным методом фенол/хлороформной экстракции [6].
Генотипирование проводили по 11 аутосомным STR-локусов - D3S1358, D5S818, D7S820, D16S539, D21S11, HumTH01, vWA31A, FGA (FIBRA), TPOX, LPL (LIPOL) и CD4 - с использованием праймеров, предложенных ранее [7, 8]. Олигонуклеотиды синтезированы в НПФ «Литех» (г. Москва). ПЦР проводили в 10 мкл реакционной смеси, содержащей около 15-20 нг тотальной ДНК, 200 мМ каждого dNTP и 1 ед термостабильной полимеразы Taq-SE производства ООО «СибЭнзим» (г. Новосибирск).
Разделение продуктов амплификации по аутосомным STR-локусам проводили с помощью электрофореза в 6-8% полиакриламидном геле в нативных и денатурирующих условиях (длина геля не менее 10 см).
Частоты аллелей и генотипов рассчитывали путем прямого подсчета с использованием макроса VBA к Microsoft Excel, разработанного Д.С. Тарасовым (кафедра генетики, Казанский государственный университет). Распределение частот аллелей и генотипов исследованных STR-локусов проверяли на отклонение от равновесия Харди - Вайнберга с использованием двустороннего теста методом Guo и Thompson [9] и одностороннего теста на наличие избытка и дефицита гетерозигот [10], ожидаемые и наблюдаемые значения гетерозиготно-сти вычисляли общепринятыми методами, реализованными в программе
Genepop v.3.4 [11]. Показатели генного и генотипического разнообразий рассчитывали по формуле Нея и Таджима [12]. Для определения внутрипопуляци-онной гетерогенности были рассчитаны расстояния между индивидуумами с помощью программы POPULATIONS (v.1.2.28). Консенсусные дендрограммы строили с помощью пакета программ Phylip (v.3.61) и Treeview (v.1.6.6). Расчет генетических расстояний между популяциями проводили, используя стандартное генетическое расстояние DS по Нею [13]. На основе полученных данных по генетическим расстояниям был проведен кластерный анализ методом объединения ближайших соседей (neighbour joining) с помощью программы POPTREE (модифицированной версии NJBAFD v.1.1), статистическая значимость полученных кластеров определялась методом bootstrap-анализа.
Результаты и обсуждение
Анализ 11 аутосомных микросателлитных локусов показал, что распределение частот аллелей в исследованных популяциях не отличается от таковых в мировых популяциях и носит уни- или бимодальный характер распределения (рис. 1). Распределение аллелей в изученных группах представлено на рис. 2.
♦ Буинск —■----Азнакаево
Рис. 1. Унимодальный (а) и бимодальный (б) характер распределения аллелей
Различие в распределении аллелей и генотипов между двумя исследованными популяциями татар по микросателлитам было обнаружено только по 3 локусам: БОА, ТРОХ и Б21811 (табл. 1). Эти различия могут объясняться эффектом выборочности, так как эти локусы являются наиболее полиморфными системами. В целом, в исследованных популяциях обнаружен высокий «запас» генетического разнообразия по микросателлитным локусам.
Основной характеристикой состояния популяции является подчинение распределения частот аллелей и генотипов равновесию Харди - Вайнберга (РХВ), которое показывает стабильность генетических признаков в исследуемой популяции. При интенсивных процессах метисации или, наоборот, в результате инбридинга, будет наблюдаться сдвиг равновесия, т. е. данная характеристика позволяет проследить процессы, происходящие в каждой конкретной популяции.
ТРОХ
РОА
Б21Э11
Б78820
Б168539
РРР
СБ4
□ Буинск иАзнакаево
Рис. 2. Распределение частот аллелей §ТЕ1-локусов в популяциях татар. По оси Л'- номера аллелей, по оси Г- частота встречаемости
СТРУКТУРА ЯДЕРНОГО ГЕНОФОНДА ПОВОЛЖСКИХ ТАТАР
Табл. 1
Показатели аллельной и генотипической дифференциации между популяциями татар Азнакаевского и Буинского р-нов
Локус Распределение аллелей Распределение генотипов
Р^а1ие 8.Е. Р^а1ие 8.Е.
Б381358 0.6886 0.0123 0.7125 0.0102
БвЛ 0.0013* 0.0006 0.0006 0.0003
Б58818 0.8294 0.0078 0.8627 0.0055
ТН01 0.2099 0.0137 0.2259 0.0100
ТРОХ 0.0464 0.0065 0.0497 0.0055
vWA31A 0.1151 0.0114 0.1733 0.0093
Б78820 0.4127 0.0194 0.4762 0.0136
Б21811 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
Б168539 0.0774 0.0073 0.1004 0.0074
ЬРЬ 0.7469 0.0097 0.8268 0.0074
СБ4 0.3654 0.0148 0.4526 0.0109
*
Выделены значимые различия в характере распределения аллелей и генотипов между популяциями (уровень значимости р < 0.05).
Табл. 2
Двусторонний точный тест на соответствие равновесию Харди - Вайнберга
Локус Распределение аллелей Распределение генотипов
P-va1ue 8.Е. Р^а1ие 8.Е.
Б381358 0.3997 0.0151 0.0344 0.0060
БвА 0.0170 0.0044 0.0155 0.0044
Б58818 0.2624 0.0154 0.0567 0.0070
ТН01 0.0221 0.0053 0.0704 0.0048
ТРОХ 0.9898 0.0020 0.7195 0.0149
vWA31A 0.9334 0.0060 0.8650 0.0129
Б78820 0.0004 0.0003 0.0461 0.0071
Б21811 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
Б168539 0.0163 0.0030 0.0029 0.0012
ЬРЬ 0.0279 0.0040 0.5210 0.0146
СБ4 0.4596 0.0248 0.0012 0.0006
Значения Р-уа1ие приведены для уровня значимости р < 0.05. Выделены значения для локусов, отклоняющихся от равновесия.
Нами показано, что по некоторым локусам обе популяции отклоняются от РХВ, причем отклонение обусловлено недостатком гетерозиготных индивидуумов (табл. 2). Отклонение от равновесия наблюдается в обеих популяциях по локусам РОЛ, Б78820, 021811, Б168539.
Для населения Азнакаевского р-на неравновесными локусами также являются ТН01 и ЬРЬ, для жителей Буинского р-на - локусы Б381358 и СБ4. При рассмотрении объединенной выборки татар отклонение от равновесия наблюдается по тем же самым локусам, кроме локуса Б381358.
Отклонение от РХВ за счет дефицита гетерозигот может наблюдаться в нескольких случаях. Во-первых, исследованные локусы подвержены селективно-
Табл. 3
Хромосомная локализация аутосомных 8ТЯ-локусов
Локус Хромосомная локализация
тел 4q28, 3-й интрон гена а-фибриногена
Б58818 5q23.3-32
ТН01 11р15.5, 1-й интрон гена тирозингидроксилазы
ТРОХ 2р23-р1ег, 10-й интрон гена пероксидазы
vWA31A 12р-12-р1ег, 40-й интрон гена фактора фон Виллебрандта
Б78820 7q
Б21811 2Ц
Б168539 ^22-24
Б381358 3р21.3
ЄБ4 12р
ЬРЬ 8р22, 6-й интрон гена липопротеинлипазы
му отбору; во-вторых, в популяциях происходят процессы инбридинга; в-третьих, имеет место так называемый эффект Валенда, выраженный в генетической подразделенности исследованной популяции на несколько более мелких субпопуляций; в-четвертых, не последнюю роль может играть дрейф генов [14].
По данным ряда авторов, микросателлитные 8ТЯ-локусы являются селективно нейтральными [15]. Для того чтобы подвергаться отбору, они должны находиться в непосредственной близости от функционального гена. В нашем случае такими локусам являются vWA31A, FGA, ТН01, ТРОХ и ЬРЬ (табл. 3).
Как видно из таблицы, 3 из 5 локусов, находящихся внутри интронов функционирующих генов, отклоняются от равновесия, что, по-видимому, может быть связано с селективным отбором. К сожалению, в мировых популяциях нет данных по отклонению этих локусов от равновесия Харди - Вайнберга, поэтому нам трудно сделать какие-либо выводы.
Что касается возможного эффекта инбридинга, то для изучаемых нами популяций не существует прямых доказательств высокого уровня инбредности.
Таким образом, дефицит гетерозигот в данном случае можно объяснить случайным дрейфом генов и генетической неоднородностью (делением на субпопуляции, или эффектом Валенда) исследуемых популяций. Для подтверждения эффекта Валенда нами были определены генетические расстояния между индивидуумами внутри каждой из выборок, по которым далее был проведен кластерный анализ методом объединения ближайших соседей (рис. 3). Полученные дендрограммы свидетельствуют о внутренней гетерогенности исследуемых популяций татар и делении на несколько субпопуляций.
Описанное выше высокое внутрипопуляционное генетическое разнообразие по исследованным аутосомным микросателлитным локусам отражается в высоком дискриминационном потенциале исследованных локусов. Вероятность случайного совпадения генотипов РМ у двух случайно выбранных неродственных индивидов по отдельным локусам варьирует от 00346 по локусу 021811 до 0.2080 по локусу ТРОХ в популяции Азнакаевского р-на и от 0.460 (021811) до 0.2632 (ТРОХ) в популяции Буинского р-на. Соответственно, ве-
Рис. 3. Консенсусные дендрограммы кластеризации индивидуумов методом объединения ближайших соседей
роятность случайного нахождения двух одинаковых мультилокусных генотипов у неродственных индивидов составляет 5.9-10-12 и 6.3-10-12 для жителей Азнакаевского и Буинского районов соответственно. Отсутствие различий по основным показателям (РМ, РБ, РЕ) дает полное право для объединения этих двух выборок при расчете вероятностей в судебно-медицинской экспертизе (табл. 4).
Для оценки межпопуляционных разнообразий были рассчитаны стандартные генетические расстояния по Нею между популяцией татар и некоторыми мировыми популяциями, основанные на частотах аллелей исследованных ло-кусов. Расчет проводился по трем микросателлитам Б381358, ТН01 и vWA. Основными критериями при выборе маркеров являлись: соответствие равновесию Харди - Вайнберга, отсутствие аллельной и генотипической дифференциации между популяциями казанских татар и татар-мишарей, наличие значений о частотах аллелей в мировых популяциях. На основании полученных значений была построена консенсусная дендрограмма, отражающая филогенетические отношения современных популяций татар с некоторыми популяциями мира (рис. 4).
Как видно из рис. 4, по трем локусам наблюдается довольно четкая кластеризация европеоидных и монголоидных популяций. В то же время нам неизвестно влияние ограниченного объема выборки на расчет генетических расстояний, и значения бутстрепа указывают на то, что данные кластеры образуются в силу случайных причин. В любом случае включение дополнительных локусов в построение филогенетических древ позволит повысить разрешающую способность метрики расстояний.
В то же время необходимо отметить существование общего кластера, включающего популяции татар и евреев, которое можно объяснить процессами метисации, происходившими в эпоху становления татарского народа. По историческим данным, болгары, принявшие непосредственное участие в формирова-
Табл. 4
Популяционные характеристики 8ТЯ-локусов
Локус Азнакаевский р-н
PEXЛCТ НОВ8 НЕХР РМ РБ РЕ
ТН01 0.0704 83 96.78 0.0802 0.9198 0.3904
ТРОХ 0.7195 81 79.72 0.2632 0.7368 0.2614
ЬРЬ 0.521 95 97.04 0.1451 0.8549 0.3888
СБ4 0.0012 96 96.45 0.1978 0.8022 0.3883
Б78820 0.0461 111 114.24 0.0675 0.9324 0.5963
0,Б168539 0.0029 96 108.97 0.0877 0.9123 0.1065
Б381358 0.0344 106 108.33 0.0901 0.9099 0.5512
Б58818 0.0567 98 99.08 0.1397 0.8603 0.4524
vWA31A 0.865 115 115.11 0.0656 0.9344 0.6283
гол 0.0155 110 110.16 0.0469 0.9561 0.7134
Б21811 0.0000 112 121.01 0.0460 0.9540 0.5886
Локус Буинский р-н
РЕХ^СТ НОВ8 НЕХР РМ РБ РЕ
ТН01 0.0221 115 105.11 0.1061 0.8939 0.6985
ТРОХ 0.9898 83 80.58 0.2080 0.7920 0.3093
ЬРЬ 0.0279 74 87.06 0.1727 0.8273 0.2374
СБ4 0.4596 89 92.87 0.1606 0.8394 0.3681
Б78820 0.0004 94 107.43 0.0756 0.9243 0.4306
0,Б168539 0.0163 97 105.23 0.0879 0.9167 0.4587
Б381358 0.3997 94 105.89 0.0783 0.9217 0.4226
Б58818 0.2624 93 96.59 0.1322 0.8678 0.4113
vWЛ31Л 0.9334 112 106.38 0.0825 0.9175 0.6551
FGЛ 0.0170 115 115.32 0.0491 0.9509 0.6985
Б21811 0.0000 94 118.78 0.0346 0.9654 0.4306
PEXACТ - точный тест на соответствие равновесию Харди -Вайнберга;
Нов8 - наблюдаемые показатели гетерозиготности;
НЕХР - ожидаемые показатели гетерозиготности;
РМ - вероятность случайного совпадения;
Р0 - дискриминирующий потенциал;
РЕ - индекс исключения.
нии татар Среднего Поволжья, находились некоторое время в составе Хазарского каганата, который характеризовался достаточно высоким процентом иудейского населения. Возможно, тесный контакт этих двух этнических групп нашел отражение в современном генофонде поволжских татар [4].
В заключение хочется отметить, что татарский народ, как и любая другая этническая общность, является продуктом сложного исторического развития. Его этнические основы, по данным археологии, сформировались еще в Волжской Булгарии. Однако многими чертами своей культуры, языка, отчасти и
4е:
Арабы Морокко
Японцы
Таиланд
Китайцы
Тайцы
Египтяне
Итальянцы
Венгры
Баски
Хорваты
Турки
Йеменцы
Мозамбик
Австрийцы
Европеоиды США
Словаки
Поляки
Германцы
^Гвейцарцы
Евреи
Татары
Берберы
| Афроамериканцы США 1—^32
Народы Океании
ч»:
■е;
■є
Рис. 4. Консенсусная дендрограмма генетических расстояний, рассчитанная по трем 8ТЯ-локусам между мировыми популяциями. Цифрами обозначены значения бустрепа (в %)
антропологического типа татарский народ проявляет несомненную близость к тюркоязычным народам (башкирам, казахам, узбекам), формирование которых проходило в тесном контакте двух рас - европеоидной и монголоидной.
Данные, полученные при анализе микросателлитных полиморфных маркеров в современной популяции татар, указывают на большой запас генетической неоднородности, что объясняется интенсивными процессами метисации, происходившими в древности и имеющими место в настоящее время. Выявлено преобладание европеоидного компонента в современном генофонде татар, при этом отмечено присутствие монголоидных черт, особенно в митохондриальном генофонде [5], что согласуется с антропологическими данными.
84
20
20
32
48
20
32
20
31
Summary
O.A. Kravtsova. The structure of nuclear genofound oh the Tatars (based on data of autosomal microsatellite loci).
The allele frequency distribution of 11 short tandem loci (STR) was determined in two Tatar population from Aznakaevo (kazan tatars) and Buinsk (tatar-mishears). A total of 276 individuals were typed. No deviation from the Hardy-Weinberg equilibrium were observed at the 5 STRs whereas 6 loci for both subgroups showed significant departures from Hardy-Weinberg expectations, determined by lack if heterozygous individuals. All loci are highly polymorphic and population differentiation tests showed that the Tatar samples from Azna-
kaevo and Buinsk have significant differences in 3 out of 11 loci (FGA, TPOX и D21S11).
Based on allele frequencies of 3 STRs (D3S1358, D5S818, vWA) in the world populations
standard genetic distances according to Nei were calculated.
Литература
1. Алтухов Ю.П., Корочкин Л.И., Рычков Ю.Г. Наследственное биохимическое разнообразие в процессах эволюции и индивидуального развития // Генетика. - 1996. -Т. 32, № 11. - С. 1450-1473.
2. Лимборская С.А., Хуснутдинова Э.К., Балановская Е.В. Этногеномика и геногео-графия народов Восточной Европы. - М.: Наука, 2002. - 261 с.
3. Хуснутдинова Э.К., Викторова Т.В., Ахметова В.Л. и др. Популяционно-генетическая структура чувашей (по данным о восьми ДНК-локусах ядерного генома) // Генетика. - 2003. - Т. 39, № 11. - С. 1550-1563.
4. ГазимзяновИ.Р. Антропологический облик татар. - М.: Наука, 2001. - 156 с.
5. Кравцова О.А., Аскарова А.Н. Полиморфизм митохондриальной ДНК в современной популяции Республики Татарстан // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. - 2005. - Т. 147, кн. 3. - С. 117-123.
6. Mathew C.G.P. The isolation of high molecular weight eukaryotic DNA. Methods in Molecular Biology. - N. Y., 1984. - P. 311.
7. Ricci U., Sani I., Guarducci S. et al. Infrared fluorescent automated detection of thirteen short tandem repeat polymorphisms and one gender-determining system on the CODIS core system // Electrophoresis. - 2000. - V. 21. - P. 3564-3570.
8. Butler J.M. Recent developments in Y-Short Tandem Repeat and Y-Single Nucleotide Polymorphism analysis // Forensic Sci. Rev. - 2003. - V. 15, No 2. - P. 91-111.
9. Guo S. W., Thompson E.A. Performing the exact test of Hardy-Weinberg proportions for multiple alleles // Biometrics. - 1992. - V. 48. - P. 361-372.
10. Rousset F., RaymondM. Testing heterozygote excess and deficiency // Genetics. -1995. - V. 140. - P. 1413-1419.
11. Raymond M., Rousset F. An exact test for population differentiation // Evolution. -1995. - V. 49. - P. 1280-1283.
12. Nei M., Tajima F. DNA polymorphism detectable by restriction endonucleases // DNA Genetics. - 1981. - V. 105. - P. 207-217.
13. NeiM. Molecular evolution genetics. - N. Y.: Columbia Univ. Press, 1987. - 472 p.
14. Солбриг О., СолбригА. Популяционная биология и эволюция. - М.: Мир, 1982. -488 с.
15. Степанов В.А. Y-хромосома как основа группоспецифических маркеров у человека // Материалы Второго Съезда Общества биотехнологов России: Москва, 13-15 окт. 2004 г. / Под ред. Р.Г. Василова. - М.: МАКС Пресс, 2004. - С. 196.
Поступила в редакцию 02.03.07
Кравцова Ольга Александровна - кандидат биологических наук, ассистент кафедры биохимии Казанского государственного университета.
E-mail: [email protected]
