Генофонды удмуртов и бесермян в контексте финно-угорских и других окружающих народов: полногеномные и фармакогенетические данные

GENE POOLS OF UDMURTS AND BESERMYANS IN THE CONTEXT OF FINNO-UGRIC AND OTHER NEIGHBORING ETHNIC GROUPS: THE GENOME-WIDE AND PHARMACOGENETIC DATA

The indigenous populations of Udmurtia (five populations of Udmurts and Besermyans) have been studied for the first time by the genome-wide array. The populations were studied in the context of all Finno-Ugric and other surrounding ethnic groups. The total analyzed dataset included 728 individual genomes from 76 populations.

The ADMIXTURE analysis of ancestral components identified the specific “Udmurt” component comprising nearby 100 % of genomes of all studied Udmurt individuals and the lion's share of genomes of the studied Besermyans. The second component in Besermyan was the “White Sea” one predominating in Komi Zyryans and northernmost populations of ethnic Russians. The three independent methods - ADMIXTURE, F_ST, and PCA - demonstrated that Udmurts and Besermyans are genetically closest to Komi-Permyaks, followed by Mari, Chuvash, Bashkirs, and Volga Tatars.

We also characterized the pharmacogenetic status of Udmurtia population by estimating frequencies of 45 pharmacogenetic markers. The cartographic analysis revealed that genetic markers used in pharmacogenetic recommendations were observed in Besermyan and Udmurt populations at frequencies close to the frequencies in indigenous groups from Volga-Ural region but not from the more remote regions. Thus, within the revealed area of genetic similarity the same pharmacogenetic protocols can be applied.

Here we publish the maps of distribution of the “Udmurt” ancestral components in the area of European Russia and Ural. The maps can be used by scholars in humanitarian fields in their own studies to trace genetically the interactions of Udmurts and Besermyans with other ethnic groups.

Keywords: Udmurts, Besermyans, gene pool, gene geography, genome-wide arrays, Udmurtia, pharmacogenetics, Finno-Ugric populations, genetic population history, Volga-Ural region.

Введение

Популяционная генетика, опирающаяся на анализ современной и древней ДНК, стала признанным историческим источником: палеогенетика служит вспомогательным инструментом, выступая в союзе с анализом генофонда современного населения. Для реконструкции генетической истории населения используются два наиболее эффективных инструмента молекулярной генетики: изучение вариантов Y-хромосомы по очень широкой панели ДНК-маркеров и анализ аутосомного генофонда по обширным полногеномным панелям.

Поскольку у «мужской» Y-хромосомы нет пары и ей не с кем обмениваться фрагментами при кроссинговере, она изменяется лишь благодаря мутациям: они ведут четкую запись генетической истории, позволяя восстановить генеалогическое древо по отцовской линии - «отец мужчины-дед-прадедпрапрадед» и далее до Адама. Исследования Y-хромосомного генофонда удмуртов и бесермян [Tambets et al., 2004; Трофимова и др., 2015; наши неопубликованные данные] указывают на его ярко выраженное своеобразие. Поэтому на первый план выступает необходимость анализа их аутосомного генофонда, что позволит получить «бинокулярное зрение»: возможность объективно сравнить «видение» обеих наиболее информативных генетических систем - Y-хромосомы и аутосомного генофонда.

Формирование удмуртского народа происходило в Предуралье и Прикамье. Удмуртский язык вместе с близкими к нему языками коми восходит к пермскому праязыку. Поздняя (к концу I тыс. н.э.) пермская прародина локализуется в Пермско-Сарапульском Прикамье; распад единства произошёл менее тысячи лет назад [Белых, 2009]. Ещё в прапермское время (в I тыс. н.э. и ранее) южные пермяне - предки удмуртов - активно контактировали и с ираноязычными (сарматскими, аланскими) группами Предуралья и Поволжья, и с носителями балтских языков, и с предками венгров. На западе, в бассейне Вятки, можно предполагать присутствие парапермских групп, через посредство которых предки удмуртов находились в контакте с марийско-мерянской общностью [Смирнов, 2013, 2014; Напольских, 2015].

Распад прапермской общности (в начале II тыс. н.э.) связан с появлением в нижнем Прикамье (не позднее IX в.) булгар: в рамках Волжской Булгарии, по-видимому, происходило становление удмуртского народа и языка. Тесные контакты предков удмуртов с тюрками - булгарами и кыпчаками - во многом отличают языки удмуртов и коми. В ходе взаимодействия предков удмуртов с булгарами в XI-XV вв. произошло формирование этнической группы бесермян, обнаруживающих в культуре черты мощного булгаро-чувашского и исламского влияния [Белых, 2009; Напольских, 2015].

Новый этап в этнической истории удмуртов и бесермян, приведший к возникновению двух этнографических групп удмуртов (южной и северной) и полной смене ареала бесермян, связан с развернувшимся во второй половине XV в. противоборством Русского государства и Казанского ханства за контроль над Вятско-Камским междуречьем. При описании очередного конфликта Москвы и Казани в 1469 г. впервые упоминается подвластная казанскому хану Вотятъцкая земля (вотяки - старое русское название удмуртов). Судя по сохранившимся грамотам, Иван III начал проводить политику по стимулированию переселения удмуртов и бесермян из «Казанских мест» в формирующийся Каринский стан (район впадения Чепцы в Вятку к востоку от г. Кирова). По переписи 1615 г. в Каринском стане насчитывалось 10 дворов «княжьих» и 4 «тотарских», не менее 32 дворов бесермян и около 270 дворов удмуртов. К ним следует добавить 60 дворов удмуртов соседнего Лужановского стана Спустя 300 лет, опираясь на данные переписи 1926 г., численность каринских (чепецких) татар можно оценить в 15 тыс. чел., северных удмуртов - в 200 тыс. чел., бесермян - 10 тыс. чел.. Вплоть до реформы Екатерины II (1780 г.), южные удмурты проживали в пределах удмуртских сотен Арской дороги Казанского уезда (правобережье нижней Вятки - районы, известные как Заказанье), а северные, периодически включавшие в свой состав переселенцев с юга, - в Каринском стане. При этом в освоении башкирских земель (рубеж XVI-XVII в.) приняли участие и северные, и южные удмурты, и отдельные представители бесермян [Чураков, 2017; Пислегин, Чураков, 2020; Садиков, 2001]. Из 552 тыс. удмуртов (перепись 2010 г.) южные составляют 3/5. Бесермяне после переписи 1926 г. записывались в число удмуртов, что привело к смене этнической самоидентификации у значительной части бесермян: перепись 2010 г. указывает 2,2 тыс. чел.

По данным антропологии, отмечается высокое сходство между разными группами удмуртов. Их антропологический тип, для которого «несомненным является автохтонное, смешанное и преимущественно европеоидное происхождение в волго-уральском регионе» [Аксянова, 2003, 122], близок к коми-пермякам, южным популяциям коми, марийцам, татарам, башкирам и чувашам, хотя по данным разных авторов наблюдается разная степень сходства с перечисленными народами [Дерябин, 1998; Аксянова, 2003]. Сближение с марийцами может быть связано как с поглощением общего доудмуртского населения, так и с ассимиляцией удмуртов при продвижении марийцев на восток. Сходство с башкирами и северо-западными татарами может быть либо наследием общих прапермских популяций, либо результатом ассимиляции удмуртов в башкиро-татарской среде. Антропологический тип бесермян близок к удмуртам, марийцам, некоторым популяциям татар и чувашей. У бесермян усилен тот расовый компонент, который выделяет удмуртов на фоне пермских финнов и марийцев и сближает удмуртов и бесермян с тюрками Поволжья [Дерябин, 1998; Аксянова, 2012]. По данным краниологии в популяциях пермских народов XVII-XIX вв. выделяются два европеоидных комплекса: к прикамскому относятся коми-пермяки и большая часть удмуртов, к североевропейскому - комизыряне и среднечепецкие удмурты [Широбоков 2014].

Популяции удмуртов изучались в целом ряде работ практически по всему спектру генетических маркеров: по маркерам митохондриальной ДНК [Бермишева и др., 2002; Грошева и др., 2013, 2014], Y-хромосомы [Трофимова и др., 2015], отдельным аутосомным маркерам [Бермишева и др., 2007; Зинченко и др., 2007], а также полногеномным (широкогеномным) панелям [Triska et al., 2017; Tambets et al., 2018; Jeong et al., 2019]. Но удмурты редко выступали основным объектом исследования, чаще они изучались в общем ряду других народов. В результате в литературе имеется не так мало данных о генофонде удмуртов, но не так много выводов из этих данных.

Из всех генетических маркеров для удмуртов наиболее подробно изучена митохондриальная ДНК. Впервые она была исследована специалистами Эстонского биоцентра в ряду народов Волго-Уральского региона [Бермишева и др., 2002]. Выборка удмуртов происходила из Малопургинского района на юге Удмуртии и Татышлинского района на севере Башкирии (N=101). Суммарная частота восточно-евразийских гаплогрупп у удмуртов в этой работе была определена в 21 %, высказано предположение о значительном действии дрейфа генов в популяции удмуртов. В систематическом исследовании митохондриальной ДНК удмуртов [Грошева и др., 2014] доля восточно-евразийских гаплогрупп в разных популяциях удмуртов варьировала от 16 % до 40 % (в среднем 30 %) - это очень высокое значение для Волго-Уральского региона и максимальное (кроме бесермян) для популяций к западу от Уральских гор [Tambets et al., 2018]. В работе [Грошева и др., 2014] подчеркивается выделение двух групп удмуртских родов. К первой группе - Ватка - авторы относят рода, расселенные и на севере Удмуртии, и на юге (современный Татарстан). Ко второй группе - Калмез - отнесены рода, расселенные посредине ареала, при этом указывается брачная изоляция двух групп родов. Северных удмуртов авторы считают потомками родов Ватка, центральных удмуртов - потомками родов Калмез, а южных удмуртов - результатом смешения родов Калмез и Ватка. Изучен генофонд 10 географических популяций, из них 200 образцов отнесены не только к географическим, но и к родовым группам Ватка, Калмез и Арск: генетическая изменчивость «родовых» выборок оказалась выше, чем «географических». Однако авторская методика вызывает вопросы: родовая принадлежность у удмуртов наследуется по отцовской линии [Чураков, 2003], а анализируемая митохондриальная ДНК - по материнской. Более того, этнографические исследования указывают на отсутствие деления удмуртов на племена: объединение Ватка - это чепецкие удмурты, а объединение Калмез - иллюзорно [Косарева, 2017], поскольку является отражением так называемой Кильмезской волости, у населения которой сформировалось локальное самосознание.

Той же группой авторов по мтДНК изучена и выборка (N=41) бесермян [Грошева и др., 2013]. Доля восточно-евразийских гаплогрупп у бесермян (46 %) оказалась максимальной среди всех народов Волго-Уральского региона. Преобладает гаплогруппа С, и ее гаплотипы, выявленные у бесермян, распространены в популяциях Южной Сибири. Некоторое генетическое отдаление бесермян от других популяций Волго-Уральского региона обнаруживается по всему спектру гаплогрупп. На основании всех этих данных авторы работы [Грошева и др., 2013] приходят к выводу о смешанном удмуртско-тюркском происхождении бесермян.

Исследование маркеров Y-хромосомы [Трофимова и др., 2015] посвящено не удмуртам, а в целом финно-угорским и тюркоязычным народам Волго-Уральского региона. Уровень филогенетического разрешения невысок: только 12 гаплогрупп. Для удмуртов указано сходство с остальными финноугорскими популяциями региона (кроме мордвы), а для бесермян - финно-угорская, а не тюркская основа генофонда. При этом авторы отмечают, что без подразделения гаплогруппы N на субтипы этот вывод является предварительным. Ее подразделение было проведено в работе [Ilumae et al., 2016], выполненной большим международным коллективом с нашим участием. Хотя удмурты в тексте статьи не упоминаются, но из приложения и карт следует, что у них преобладает ветвь N3a1, роднящая их с коми-зырянами, и в меньшей степени - с коми-пермяками, чувашами и марийцами.

Для третьей группы генетических маркеров - аутосомных - есть данные [Бермишева и др., 2007] лишь о 10 ДНК-маркерах в шести районах Удмуртии. Основной вывод работы состоит в кластеризации обследованных районов в две группы - южную и северную, которые слабо различаются и по частотам аллелей, и по уровню гетерозиготности. Размах межпопуляционных различий у удмуртов несколько выше, чем у марийцев, но ниже, чем у чувашей и башкир.

Популяции тех же шести районов Удмуртии изучены в работе [Зинченко и др., 2007] по 4 ДНКмаркерам (2 совпадают с маркерами в [Бермишева и др., 2007]), но им дана также генетикодемографическая характеристика. Показано, что индекс эндогамии сельского населения варьирует по районам от 48 % до 76 %. Авторы отмечают (правда, не приводя ссылок) быстрый рост численности удмуртов - в 15 раз за последние 10 поколений - и предполагают, что это обусловило интенсивный дрейф генов и особенности в распространении наследственной патологии.

Наконец, удмурты были изучены и по полногеномным панелям, включающим сотни тысяч аутосомных ДНК-маркеров. В статье [Triska et al., 2017] 30 образцов удмуртов изучены по панели Illumina 660k; в [Tambets et al., 2018] 16 образцов удмуртов генотипированы по той же панели; в статье [Jeong et al., 2019] с нашим участием 10 образцов удмуртов и 6 образцов бесермян изучены по панели Affimetrix Human Origin, также включающей около 600 тысяч маркеров. Однако во всех работах удмурты выступали лишь одной из ряда популяций, и данные о них не обсуждались. В [Tambets et al., 2018] выявлено несколько большее генетическое сходство между уралоязычными популяциями, чем между уралоязычными и другими популяциями тех же географических регионов, но и в этой статье генофонд пермской группы народов не рассматривался.

Таким образом, хотя генетические данные об удмуртах имеются по всем основным генетическим системам, но выводы об их генетической истории или отсутствуют, или основаны на данных о небольших панелях ДНК-маркеров. Для следующего шага в изучении их генофондов необходимо получить углубленные данные об изменчивости Y-хромосомы и провести целенаправленный анализ удмуртов и бесермян по широкогеномным панелям маркеров. Реализации второго из этих подходов и посвящена данная работа.

Ее цель - детальный анализ генофонда популяций удмуртов и бесермян по обширным полногеномным панелям, а основная задача - оценить, какое положение занимают аутосомные генофонды удмуртов и бесермян среди народов финно-угорского мира и окружающих славянских и тюркских народов.

Материалы и методы

Методические и биоинформатические аспекты изучения аутосомного генофонда по полногеномной панели детально описаны в [Балановский и др., 2020], что позволяет здесь ограничиться только основными штрихами.

При изучении единичных ДНК-маркеров выборка должна быть не менее 50 индивидов. При анализе полногеномных панелей, включающих сотни тысяч ДНК-маркеров, адекватная выборка составляет 5-15 индивидов. Однако при этом резко возрастают требования к качеству выборки, поскольку эти единичные образцы должны стать полномочными представителями геномов всей популяции. Если задача исследования - создать не «мгновенный снимок» генофонда популяции, который очень скоро изменится из-за мощных современных миграций, а реконструировать генетическую историю народа, то выборка должна отвечать правилу «трех поколений» [Балановская и др., 2016а]: генеалогия индивидов на протяжении не менее трех поколений должна быть связана только с исследуемой популяцией, а сами популяции должны отражать субэтническую структуру изучаемых народов. Поэтому в наше исследование включены две популяции бесермян - восточных (5 геномов из Балезинского района) и западных (5 геномов из Юкаменского района Удмуртии). Популяции удмуртов (18 геномов) разделены согласно историческому делению на северных (5 геномов из Юкаменского района) и более южных (13 геномов), подразделенных на «восточных» и «центральных». Популяция Шарканского района занимает промежуточное положение между северными и южными удмуртами, поэтому ее выделили в отдельную «восточную» популяцию (5 геномов). Остальные 8 геномов отнесли к «центральной» популяции (геномы из Вавожского, Завьяловского, Увинского районов), включив в нее и геном удмурта из Кукморского района Татарстана (но выделив его как южных удмуртов на графике главных компонент РСА). Итого в суммарную выборку из Удмуртии включены те 28 индивидов, у которых в генеалогической части анкеты указано, что четверо их бабушек и дедов относили себя к данному этносу и родились в данной популяции.

Их основной анализ (методом ADMIXTURE) проведен в обширном контексте 700 геномов из 71 популяции других народов Восточно-Европейской равнины и Урала (табл. 1): 217 геномов, охватывающих все финно-угорские народы России, 11 геномов самодийцев (ненцев), 112 геномов тюркоязычных народов Волго-Уральского региона, 8 геномов балтоязычных литовцев, 352 генома славян.

Генотипирование по полногеномной панели ДНК-маркеров выполнено с помощью биочипа Infinium OmniExome BeadChip Kit (Illumina, США) на приборе iScan (Illumina, США). Первичный анализ и оценка качества проведены в программе GenomeStudio v2011. 1. Для исследованных образцов показатель CallRate составлял не менее 0,99.

Анализ генотипов всех 728 геномов из 76 популяций проведен методом ADMIXTURE [Alexander et al., 2009], который, наряду с анализом главных компонент, является базовым методом описания генетической структуры популяций по полногеномным данным. Метод ADMIXTURE дает количественную оценку вклада разных предковых компонент в каждый индивидуальный геном. Генетический состав каждой предковой компоненты определяется автоматически на основе одной и той же совокупности изученных геномов. Результаты являются объективными и не зависят от исследователя: единственный параметр, который задает исследователь - число предковых компонент k. При k=2 для каждого проанализированного генома выявляется вклад двух предковых компонент; при k=3 для тех же геномов - вклад уже трех компонент; при k=4 - четырех компонент; при k=20 реконструируется вклад двадцати предковых компонент для той же совокупности геномов. Таким образом, при увеличении k программа для одних и тех же геномов рассчитывает все большее число более дробных предковых компонент: при большом числе k выделяет все более детальные предковые компоненты, позволяя охарактеризовать субэтносы, а порой и отдельные популяции. Для одной и той же совокупности геномов анализ проводится для разных k. При каждом k программа ADMIXTURE выдает оценку вклада (0 %<C<100 %) каждой из предковых компонент в каждый индивидуальный геном. Затем, усреднив на каждом уровне k вклад каждой компоненты во все геномы данной популяции, оценивается средний вклад каждой предковой компоненты в ее генофонд. Полученные величины могут быть картографированы. Для реконструкции генетической истории удмуртов и бесермян в работе представлены 4 карты для предковых компонент при k=5, k=6, k=14.

Расчет генетических расстояний F_ST проведен попарно между всеми популяциями. Фильтрация массива геномных данных (728 геномов) c параметрами geno = 0.1, maf = 0.01, mind = 0.05, indeppairwise = 1500, 150, 0.5 проведена с помощью программного обеспечения PLINK [Chang, 2015]; затем файлы из формата plink были конвертированы в формат eigensoft [Patterson, 2006] и далее рассчитана матрица расстояний программой smartpca [Patterson, 2006] с параметром fstonly = YES.

При расчете главных компонент РСА для охвата зарубежных финно-угорских популяций были включены данные [Lazaridis 2014; Jeong 2019; Patterson 2012] по панели Human Origins (550 тысяч ДНКмаркеров). Объединенный массив включил 433 генома, проанализированного по 410 тысячам ДНКмаркеров, присутствующих в обоих исходных массивах (Human Origins и наш массив). Фильтрация полученного объединенного массива проведена с параметрами geno = 0.05, maf = 0.01, mind = 0.1, indep-pairwise = 1500, 150, 0.2 (PLINK [Chang CC, 2015), далее файлы переведены в формат eigensoft программой convertf [Patterson 2006]. Расчет главных компонент проведен программой smartpca [Patterson, 2006], графики построены с использованием библиотек на языке Python3 [Waskom 2021].

Для описания распространения в популяциях удмуртов и бесермян клинически значимых ДНКмаркеров привлечены данные о 45 ключевых фармакогенетических маркерах, детально описанных в [Балановская и др., 2020]. Информация об их распределении в популяциях России и сопредельных стран извлечена в результате биоинформатического анализа нескольких массивов данных, полученных в рамках популяционно-генетических исследований с использованием широкогеномных панелей SNP-маркеров: отобраны 45 маркеров (генов ADME; генов, кодирующих фармакодинамические мишени лекарственных средств; генов, кодирующих компоненты системы гемостаза). Для анализа привлечены данные о 2197 геномах из 137 этнических и субэтнических групп, объединенных для целей анализа в 50 метапопуляций. На основе матрицы встречаемости 45 фармакогенетических ДНКмаркеров в 50 популяциях Северной Евразии рассчитаны генетические расстояния М. Нея от средней частоты в объединенной популяции удмуртов и бесермян частоты каждого ДНК-маркера до всех 49 популяций и созданы 45 карт генетических расстояний от популяции Удмуртии. После усреднения этих 45 карт получена карта средних генетических расстояний от популяции Удмуртии до всех изученных популяций, отражающая особенности фармакогенетического статуса удмуртов и бесермян.

Все карты построены с помощью оригинального картографического пакета GeneGeo [Кошель, 2012] методом средневзвешенной интерполяции с радиусом влияния 700 км и значением весовой функции 3. Детальное описание процесса создания геногеографических карт, их возможностей и чтения дано в [Балановская, Балановский, 2008; Балановский, 2015].

1. Анализ предковых компонент ADMIXTURE

При анализе генофонда коренного населения Удмуртии методом ADMIXTURE охвачен весь финно-угорский мир России - от саамов и ижоры на западе до обских угров на востоке. Анализ ADMIXTURE провели 14 раз, задавая число предковых компонент от k=2 до k= 15. В результате получили для каждого из 728 геномов по 119 оценок вклада (contribution, С) каждой из 119 предковых компонент.

Их сравнение показывает, что на всех уровнях от k=4 до k=15 геномы удмуртов отличаются наличием очень высокого вклада (91 % <C<100 %) одной из предковых компонент (табл. 1). У бесермян эта компонента также достигает C=97 % (за исключением уровней k=4 и k=6, где ее вклад C=77 %). Эту предковую компоненту можно смело назвать «удмуртской», поскольку ее вклад в 700 изученных геномов других народов очень мал (табл. 1). Пространственное распределение вклада «удмуртской» предковой компоненты в геномы изученных народов отражено в таблице 1 и на картах: основной вариант при k=5 и k=14 на рис. 1, второй по значимости вариант при k=6 на рис. 2. Рассмотрим их.

Вклад (в %) «удмуртской» предковой компоненты ADMIXTURE в геномы изученных популяций при k=5, k=6 и k=14

Обозначения:

MEAN - средний вклад предковой компоненты в генофонд данной популяции;

MIN - минимальное значение предковой компоненты среди изученных геномов данной популяции;

MAX - максимальное значение предковой компоненты среди изученных геномов данной популяции.

1А. Анализ ADMIXTURE на уровне k=5 (пять предковых компонент)