Сравнение региональной изменчивости Евразии по ДНК и классическим маркерам

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сравнение региональной изменчивости Евразии по ДНК и классическим маркерам

Почешхова Э.А.

Адыгейский филиал Государственного образовательного

учреждения Высшего профессионального образования

«Кубанский государственный медицинский университет

Аннотация

Рассмотрена на межрегиональном уровне иерархической популяционной системы изменчивость Евразии и изучено положение генофонда народов Западного Кавказа в популяционной системе генофондов Евразии по данным о классических генных маркерах: ABO, RH, ACP1, ESD, HP, GC, TF, GLO1, С3, PGM, PTC, CER и мультиаллельных ДНК маркерах: DIS80, ApoB, DM, SCA1, DRPLA. Статистический анализ проведен в двух вариантах: А) по наибольшему числу маркеров; Б) по наибольшему числу регионов. Использован комплекс различных методов многомерной статистики.

Евразийский генофонд по данным о классических маркерах подразделен на два основных суперкластера: генофонды Западной Евразии (Западный Кавказ, Восточный и Центральный Кавказ, Закавказье, Западная, Восточная Европа, Балканы и Южная Европа, Южный Урал, Приуралье) и Восточной Евразии (Зауралье, Центральная Азия, Сибирь, Дальний Восток, Южная Азия). Все методы анализа подтвердили наличие компактного самостоятельного «Кавказского» кластера, в который вошли все четыре кавказских региона (Западный, Центральный, Восточный Кавказ и Закавказье). Показана чрезвычайно высокая генетическая близость народов Северного Кавказа к народам Юго-Западной Азии. Этот важный результат полностью подтвержден нами и при анализе диаллельных ДНК маркеров. Мультиаллельные ДНК маркеры не выявили такого четкого подразделения Евразийского генофонда на два ствола - как «западный» и «восточный». Выделяется компактный кластер «западного» мира Евразии, окруженный генофондами населения Азии. По данным о мультиаллельных ДНК маркерах Юго-Западная Азия, к сожалению, не представлена, и генофонд народов Западного Кавказа наиболее близок к генофонду Восточной Европы. Анализ корреляций и всех графиков показал, что на межрегиональном уровне изученной популяционной системы наиболее эффективны диаллельные ДНК и классические маркеры.

Ключевые слова. Евразия, Кавказ, генофонд, ДНК маркеры, классические генетические маркеры

Введение

Изучение генетической изменчивости народонаселения мира и истории формирования генофонда ойкумены является одним из перспективных направлений современной генетики. Об актуальности проблемы свидетельствуют многочисленные исследования, проводимые во многих регионах мира. История формирования народонаселения Кавказа представляет собой одну из сложнейших и актуальных фундаментальных проблем, в решении которой важная роль отводится генетике народонаселения. Генетическое изучение народов Западного Кавказа позволяет выявить исторические пласты и взаимосвязи различных генофондов Европы и Азии. Кавказ как историческая область уже своим географическим положением играет роль своеобразного моста между регионами Евразии. Поэтому выявление положения генофонда Кавказа в системе евразийских генофондов становится важным шагом в решении общих проблем этногеномики.

В настоящее время в популяционно-генетических исследованиях наиболее широко используются ДНК маркеры благодаря относительной методической простоте их исследования и широкому спектру различных классов ДНК маркеров. Однако каждый тип генетических маркеров имеет определенные особенности микроэволюционных процессов, связанных с особенностями отбора, дрейфа генов и т.д., и поэтому отражает определенную проекцию истории формирования генофонда. Именно поэтому наряду с другими классами ДНК маркеров столь важна роль классических генных маркеров в характеристике генофонда. Информация по этим маркерам огромна: три последних десятилетия ознаменовались открытием целого ряда генетически детерминированных полиморфных систем, лежащих в основе биохимической изменчивости человека. Для большинства изученных биохимических полиморфных систем разработаны модели наследования, что позволяет использовать их в качестве генетических маркеров в популяционно-генетических исследованиях [4,8]

В предыдущей публикации Почешхова Э.А. Генофонд народов Западного Кавказа среди регионов Евразии (по данным о диаллельных ДНК-маркерах) //Медицинская генетика. - 2007 - Т.6, № 9.- С.16-22. был рассмотрен генофонд Западного Кавказа среди регионов Евразии по данным о диаллельных ДНК маркерах. Показано, что евразийский генофонд подразделился на «западный мир» Евразии, в который вошли кроме Западного Кавказа, Восточный Кавказ и Закавказье, а так же регионы Урала, Европы и Юго-Западной Азии и «восточный мир» Евразии, в который вошли Сибирь, Южная, Центральная и Восточная Азия. Западный Кавказ наиболее тесно генетически связан не только с другими регионами Кавказа, но и с Юго-Западной Азией.

Теперь оставаясь, на том же региональном уровне проведем сравнительный анализ региональной изменчивости по ДНК (диаллельным и мультиаллельным) и классическим маркерам. Это позволит решить и другую актуальную проблему современной популяционной генетики - сравнение изменчивости разных типов генетических маркеров.

В работе классические генные маркеры представлены тремя классами, определяемые в зависимости от метода генотипирования: восемь локусов (ACP1, ESD, HP, GC, TF, GLO1, С3, PGM) относятся к биохимическим генным маркерам - как системы белков и ферментов сыворотки крови, так и системы эритроцитарных ферментов крови; два локуса (группы крови ABO и RH) - к маркерам иммуногенетического полиморфизма; один локус (PTC) - к маркерам системы физиолого-генетического полиморфизма; еще один локус (CER) представляет системы генетико-биохимического полиморфизма биологически активных веществ различных тканей организма. Мультиаллельные маркеры представлены двумя классами: два локуса мультиаллельного полиморфизма - D1S80 и ApoB - относятся к минисателлитным маркерам; три локуса мультиаллельного полиморфизма - DM, SCA1, DRPLА - представляют класс микросателлитных маркеров.

Материалы и методы

Материалы и методы экспедиционного обследования, подходы и методы анализа ранее подробно описаны [7]. В анализ включены наши данные: полиморфизм РТС и CER в популяциях адыгейцев, черкесов и кубанских казаков; полиморфизм CER - в популяции абхазов; полиморфизм ABO и Rh - в популяциях адыгейцев, черкесов, кубанских казаков, абхазов; полиморфизм по пяти биохимическим маркерам (HP, ACP1, ESD, GLO1, PGM) - в популяции адыгейцев; полиморфизм по пяти мультиаллельным локусам DIS80, ApoB, DM, SCA1, DRPLA в популяциях адыгейцев, черкесов, абхазов, кубанских казаков; полиморфизм по локусу DIS80 в популяциях кабардинцев и народов Дагестана.

Информация по остальным народам Евразии была получена из Банка данных “GENEPOOL” (рук. Е.В. Балановская, МГНЦ РАМН), из отечественных и зарубежных сводок данных [4, 13], а также из широкого круга научных публикаций (созданная база данных по изменчивости Евразии, размещена на сайте: www.genofond.ru).

Результаты и обсуждение

Для того чтобы охватить анализом максимальное число регионов и при этом получить максимально надежную оценку генофондов, мы провели два варианта анализа для каждого типа маркеров [7]. Один вариант (Б) анализа охватывает наибольшее число регионов Евразии, но по меньшей панели маркеров. В другом варианте анализа (А) мы расширяем панель анализируемых маркеров и тем самым увеличиваем надежность результатов сравнения, но нам приходится оставлять для анализа меньшее число регионов (в связи с недостаточной их изученностью по полной панели маркеров). Использованный нами подход - анализ результатов по двум вариантам расчета (наибольшего числа маркеров и наибольшего числа регионов) и по нескольким методам статистического анализа (два вида дендрограмм, многомерное шкалирование, факторный анализ) - обеспечивает взаимопроверку и позволяет выявить наиболее устойчивые и надежные результаты, проявляющиеся практически во всех вариантах расчета.

Мы приводим только вариант анализа Б - по наибольшему числу регионов, который контролируется изучением варианта А. Объем анализируемой информации представлен в таблицах 1,2.

РЕГИОНАЛЬНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПО КЛАССИЧЕСКИМ ГЕННЫМ МАРКЕРАМ

Вариант А. Анализ по наибольшему числу маркеров: 12 локусов, 31 аллель (ACP1, ESD, HP, GC, TF, GLO1, С3, PGM, ABO, RH, PTC, CER), 34 этноса из 8 регионов Евразии.

Вариант Б. Анализ по наибольшему числу регионов: 9 локусов, 23 аллеля (ACP1, ESD, HP, GC, TF, GLO1, С3, ABO, RH), 68 этносов уже не из восьми, а из шестнадцати регионов: Западный Кавказ, Восточный и Центральный Кавказ, Закавказье, Западная Европа, Южная Европа, Балканы, Восточная Европа, Южный Урал, Приуралье, Зауралье, Сибирь, Дальний Восток, Центральная Азия, Южная Азия, Юго-Западная Азия [табл. 1].

Кластерный анализ (методом средних связей и Уорда), многомерное шкалирование и факторный анализ выявляют в целом аналогичные результаты - визуализируются два крупных суперкластера - «Западная Евразия» и «Восточная Евразия» [рис. 1,2,3].

«Западная Евразия». В этот суперкластер вошли наряду с Западным Кавказом, Восточный и Центральный Кавказ, Закавказье, Западная, Восточная Европа, Балканы и Южная Европа. Своеобразно положение уральских популяций, Южный Урал образует единый кластер с Восточной Европой [рис.1], а Приуралье занимает некое промежуточное положение: на дендрограмме средней связи присоединяется к этому кластеру, а на дендрограмме Уорда уходит в «восточный» суперкластер. На графике двумерного шкалирования [рис.2] генофонды Урала - Приуралье и Южный Урал - образуют компактную группу регионов. Уральские регионы генетически относительно близки друг к другу, хотя в разных видах анализа их положение меняется. Однако большинство видов анализа относит Приуралье и Южный Урал к западному кластеру, а Зауралье - к восточному.

«Восточная Евразия». В данный суперкластер вошли Зауралье, Центральная Азия, Сибирь, Дальний Восток, Южная Азия.

Рис. 1. Положение региональных генофондов Евразии по девяти классическим генным маркерам (ABO, RH, ACP1, ESD, HP, GC, TF, GLO1, С3) на дендрограмме, построенной методом Уорда

«Кавказский» кластер. Обратим внимание, что все кавказские народы по классическим маркерам образуют единый кластер, включивший также и народы Юго-Западной Азии. Напомним, что и по ДНК маркерам [7] обнаруживалась максимальная генетическая близость народов Северного Кавказа с народами Юго-Западной Азии! Это близость по ДНК маркерам была большей, чем с народами Закавказья. Теперь уже по классическим маркерам мы видим, что кавказские народы входят в единый кластер с народами Юго-Западной Азии. Наибольшее сходство с Западным Кавказом обнаружили Восточный и Центральный Кавказ (d=0.002), а также Юго-Западная Азия (d=0.003). Несколько дальше отстоит Закавказье (d=0.004). На дендрограмме средней связи к этому кластеру кавказских народов и Юго-Западной Азии присоединяется и регион Балкан (d=0.004),

Восточная Европа, Южный Урал и Приуралье находятся на одинаковом генетическом расстояний от Западного Кавказа: d=0.006. Единый кластер образуют Западная Европа (d=0.008) и Южная Европа (d=0.012). Промежуточное положение занял регион Зауралья (d=0.014). Максимально удалены от Западного Кавказа Южная Азия (d=0.024), Сибирь (d=0.025) и Дальний Восток (d=0.030).

Рис.2. Положение региональных генофондов Евразии по девяти классическим генным маркерам (ABO, RH, ACP1, ESD, HP, GC, TF, GLO1, С3) на графике двухмерного шкалирования [число итераций-70; величина стресса Sо=0,08; коэффициент алиенации Ко=0,11; кривая Шепарда удовлетворительна]

Рис.3. Положение региональных генофондов Евразии по девяти классическим генным маркерам (ABO, RH, ACP1, ESD, HP, GC, TF, GLO1, С3) в пространстве двух главных компонент в соответствии с их нагрузкой.

Методом главных компонент факторного анализа выделено семь значимых главных компонентов с суммарным вкладом в общую дисперсию признака 93,2%. Наибольшая вариация (72%) исходных признаков распределилась на три главных компонента: первый (0.355), второй (0.172), третий (0.143). В пространстве первых двух главных компонент [рис.3] ярко выделяется общий кластер европейских и кавказских популяций. В его пределах субкластер четырех кавказских регионов и народов Юго-Западной Азии оформился очень компактным ядром. Таким образом, все виды анализа выявляют как наиболее устойчивый и стабильный структурообразующий элемент единое ядро всех четырех кавказских регионов, что указывает на его объективность. Отметим, что народы Европы четко различаются первой главной компонентой. При этом регион Восточной Европы максимально близок к «Кавказскому» кластеру, как по первой, так и по второй компоненте.

Полученный результат находится в полном соответствии со всей совокупностью данных других наук, исследующих народонаселение Кавказа, Европы и Евразии в целом [1-3,5,6,9-12].

РЕГИОНАЛЬНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПО МУЛЬТИАЛЛЕЛЬНЫМ МАРКЕРАМ

В сравнительный анализ включались в первую очередь популяции тех народов, которые рассматривались по другим аутосомным маркерам и для которых имелась информация о полиморфизме D1S80, ApoB, DM, SCA1, DRPLA.

Вариант А. Анализ по наибольшему числу маркеров: 5 локусов, 117 аллелей (D1S80, ApoB, DM, SCA1, DRPLA), 25 этносов из 7 регионов Евразии.

Вариант Б. Анализ по наибольшему числу регионов: 3 локуса, 95 аллелей (D1S80, ApoB, DM), имеются данные по 53 этносам, представляющим 13 регионов: кроме 7 регионов (рассмотренных в варианте А): Восточная Европа, Западный Кавказ, Приуралье, Южный Урал и макрорегион «Сибирь +Дальний Восток +Зауралье» - в анализ включены еще четыре региона - Западная Европа, Восточный Кавказ, Центральная Азия, Южная Азия и выделен еще один макрорегион «Балканы +Южная Европа» [табл. 2]. Однако «платой» за увеличение числа анализируемых регионов является сокращение числа анализируемых локусов - до трех. Оценки генетических расстояний, конечно при этом становятся менее надежными. Однако мы можем проводить такой анализ благодаря тому, что эти локусы мультиаллельные - в анализ включено 95 аллелей, из которых 92 аллеля статистически независимы.

Результаты, полученные разными методами анализа (кластерный анализ, многомерное шкалирование на основе генетических расстояний и факторный анализ на основе корреляционных матриц) и, по двум вариантам статистического анализа [табл.2] в целом согласуются.

Рис.3. Положение региональных генофондов Евразии по трем мультиаллельным локусам (D1S80, ApoB, DM) на графике двухмерного шкалирования [число итераций-207, величина стресса Sо=0,009, коэффициент алиенации Ко=0,016, кривая Шепарда удовлетворительна]

Рис. 4. Положение региональных генофондов Евразии по трем мультиаллельным локусам (D1S80, ApoB, DM) в пространстве первой и второй главных компонент в соответствии с их нагрузкой.

Мультиаллельные ДНК маркеры, не выявили такого четкого подразделения евразийского генофонда на два ствола - как «западный» и «восточный». Выделяется компактный кластер «западного» мира Евразии, окруженный генофондами населения Азии [рис.3]. По данным о мультиаллельных маркерах Юго-Западная Азия, к сожалению, не представлена, и генофонд народов Западного Кавказа наиболее близок к генофонду Восточной Европы (d=0.012). Далее по степени возрастания генетических отличий следуют Восточный Кавказ (d=0.016), макрорегион «Балканы+ Южная Европа» (d=0.021), Западная Европа (d=0.023), Приуралье (d=0.039), Южный Урал (d=0.045). К ним приближается, отдаляясь от генофонда макрорегиона «Зауралье+Сибирь+Дальний Восток» (d=0.184) и Южной Азии (d=0.480) генофонд Центральной Азии (d=0.046), что хорошо визуализируется на графиках дву- и трехмерного шкалирования.

Факторный анализ, проведенный по методу главных компонент, выявил девять значимых главных компоненты. Суммарная изменчивость признаков, описываемая главными компонентами, составляет 100%. Наибольшую долю суммарной вариации исходных признаков описывают первый (0.339), второй (0.149), третий главные компоненты (0.130). В пространстве первых двух главных компонент [рис. 4] можно выделить четко кластер «западный», который объединяет регионы Западного и Восточного Кавказа, Восточной и Западной Европы, макрорегион «Балканы+Южная Европа», Южный Урал и Приуралье.

Таблица 3

Коэффициенты корреляции между результатами анализа по разным типам генетических маркеров популяций регионального уровня. (вариант Б - максимум популяций)

Примечание: выше диагонали ранговые корреляции - по Спирмену, ниже диагонали - по Пирсону.

Коэффициент корреляции () между матрицами генетических расстояний по диаллельным и классическим маркерам очень высок и составляет около 0.9, а их корреляция с матрицей генетических расстояний по мультиаллельным локусам ниже - около 0.7 (табл. 3).

Видимо, на региональном уровне иерархической популяционной системы разные типы маркеров выявляют различные этапы формирования генофондов. Одинаково высоко информативны диаллельные ДНК и классические маркеры. Возможно, они отражают наиболее древние преобразования генофонда, а мультиаллельные, как более высоко вариабельные маркеры, видимо, отражают более поздние генетические реконструкции генофондов. Причем, увеличение числа аллелей и маркеров не изменило картину: результат по небольшому числу аллелей диаллельных ДНК маркеров дает великолепную картину, согласующиеся с этногенезом народов Евразии.

Анализ корреляций всех матриц генетических расстояний также показал, что на региональном уровне изученной популяционной системы наиболее эффективными являются диаллельные ДНК и классические маркеры.

региональный классический маркер генофонд

Список литературы

1. Алексеев В. П. Историческая антропология и этногенез. - М., 1989.-С. 144-155.

2. Алексеев В. П. Происхождение народов Кавказа.-М., 1974.-376 с.

3. Бунак В.В. Человеческие расы и пути их образования.// Советская этнография.- 1956.- № 1

4. Генофонд и геногеография народонаселения / Под редакцией Ю.Г Рычкова: Том 1. Генофонд населения России и сопредельных стран.- СПб: Наука, 2000.- С. 146-198.

5. Дьяконов И.М. Языки древней Передней Азии.- М., 1967.- С. 176

6. История народов Северного Кавказа с древнейших времен до конца XVIII в. Т.1/Отв. Ред. Б. Б. Пиотровский.- М.:Наука, 1988.-541с.

7. Почешхова Э.А. Генофонд народов Западного Кавказа среди регионов Евразии (по данным о диаллельных ДНК-маркерах) //Медицинская генетика. 2007.-Т.6, № 9.- С.16-22.

8. Спицын В.А. Биохимический полиморфизм человека: Антропологические аспекты. -М.: МГУ, 1985. -214 с.

9. Старостин С.А. Культурная лексика в общесеверокавказском словарном фонде //Древняя Анатолия. -М., 1985.- С. 89.

10. Старостин С.А. Индоевропейско-северокавказские изоглоссы //Древний Восток - этнокультурные связи. -М., 1988. -С. 112.

11. Федоров Я.А. Историческая этнография Северного Кавказа. -М.: 1983.-125с.

12. Формозов А.А. Каменный век и энеолит Прикубанья.- М., 1969.-216с

13. Cavalli-Sforza L.L., Menozzi P., Piazza A. The History and Geography of Human Genes. Princeton // Princeton University Press. -1994. -1069 p.

Таблица 1.

Объем анализируемой информации по классическим генным маркерам

Примечание. Выделен макрорегион «Зауралье+Сибирь+Дальний Восток», так как нами не обнаружены для Зауралья и Дальнего Востока данные по PGM и CER.

Объем анализируемой информации по классическим генным маркерам

Таблица 2.

Объем анализируемой информации по мультиаллельным аутосомным ДНК маркерам