Основной инструмент этногеномики

ИСТОРИЯ НАРОДОВ ВОСТОЧНОЙ ЕВРОПЫ

ЭТНОГЕНОМИКА И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ

Э. К. Хуснутдинова

Хуснутдинова Эльза Камилевна - член-корреспондент Академии наук Республики Башкортостан,
заведующая отделом Института биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН.

Эволюция человеческих сообществ (популяций), их происхождение, родство, историческое развитие всегда были в центре внимания многих наук. Для решения этих проблем необходимо исследовать множество признаков в большом числе популяций и этнотерриториальных групп. В качестве таких признаков можно использовать вариабельность структуры биополимеров (белки. нуклеиновые кислоты). Раньше основное внимание уделяли полиморфным белкам. Подлинный переворот в исследованиях произошел при появлении нового типа маркеров, основанных на геномных ДНК.

Геном человека, состоящий примерно из 3 млрд. нуклеотидных пар, расшифрован почти полностью. Однако само по себе близкое завершение этой гигантского по замыслу и грандиозного по реализации международного научного проекта отнюдь не означает, что процесс познания генома завершен. Уже сейчас очевидно, что не существует какого-то "усредненного" генома человека: каждый геном, как и каждый человек, сугубо индивидуален. Эта индивидуальность проявляется на уровне не только отдельной личности, но и этнических групп, отдельных сообществ и рас.

Различия между двумя людьми на уровне ДНК составляют в среднем один нуклеотид на тысячу. Именно этим обусловливаются наследственные индивидуальные особенности каждого человека. Заметим, что различия между ДНК человека и шимпанзе - его ближайшего сородича в животном мире - на порядок больше.

Для исследований геномов людей используют разные типы ДНК-маркеров: расположенные на парных хромосомах (аутосомные), на митохондриальной ДНК и на непарной Y-хромосоме. Маркеры на парных хромосомах наследуются по обеим - женской и мужской - линиям, в них представлена подавляющая часть генома человека. Таким образом, у нас в руках оказались маркеры, позволяющие изучать сочетанную изменчивость, одновременно привносимую и с отцовской, и с материнской стороны. Все маркеры ДНК характеризуют сообщества в целом, не выделяя генетического вклада каждого из полов. Используя определенные типы полиморфизма ДНК, можно оценить те или иные временные события, происходившие в истории данной популяции.

Особую роль играют маркеры митохондриальной ДНК (мтДНК) и ДНК Y-хромосомы, поскольку они помогают проследить генетическую историю человечества отдельно по женской и мужской линиям. Митохондриальная ДНК передается потомкам только от матери, так как митохондрии находятся в цитоплазме клетки, а цитоплазма потомка (зиготы) образуется за счет цитоплазмы материнской яйцеклетки. Если два человека имеют общего предка женского пола, то по различиям их мтДНК можно судить о том, сколько поколений отделяет их от жившей столетия или тысячелетия назад общей пра-... прабабушки. Аналогично изучение ДНК Y-хромосомы позволяет проследить эволюционные траектории по отцовской линии, поскольку Y-хромосома передается только от отца к сыну. Оба типа полиморфизма ДНК дополняют друг друга, давая раздельную информацию об отцовском и материнском вкладе в этническую историю и эволюцию популяций.

Передаваясь из поколения в поколение только по одной из родительских линий и не участвуя в рекомбинации (обмен участками гомологичных хромосом в процессе мейоза), оба типа полиморфизма позволяют, по крайней мере теоретически, реконструировать генетические события от наиболее популярных предков современного человека - "Y-хромосомного Адама" и "митохондриальной Евы" - до современных популяций. Полиморфизм маркеров мтДНК и Y-хромосомы определяется факторами микроэволюции (миграция, отбор, мутации). Однако характер их вариабельности по-разному отражает действие и результат этих процессов.

Уровень разнообразия геномов представителей какого-либо биологического вида зависит, во-первых, от разнообразия геномов прародителей вида и, во-вторых, от скорости накопления случайных "ошибок" (мутаций), возникающих при "переписывании" клеткой генетических текстов, и еще от того, как долго существует данный вид. При сравнении генетических текстов Y-хромосомы (или мтДНК) разных людей по присутствию в них одинаковых мутаций можно выявить общего предка. Согласно современным представлениям, скорость накопления мутаций в ДНК относительно постоянна, большинство мутаций нейтральны, так как не затрагивают значимые, смысловые участки генома. Поэтому они не отсеиваются отбором и, раз появившись, передаются из поколения в поколение. Сравнивая два родственных генетических текста, по количеству различий между ними можно установить время появления как мутаций, так и общего предка по мужской или женской линиям.

Изучение полиморфизма ДНК позволяет выявлять значительные внутри- и межпопуляционные различия в частотах полиморфных маркеров ДНК во многих географических районах мира, что стало одной из важнейших характеристик генетической структуры человеческих сообществ. За последнее десятилетие генетиками собраны и проанализированы коллекции мтДНК и Y-xpoмосом представителей народов почти всего мира. По ним восстановлена последовательность и время появления мутаций в ДНК человека.

ДНК-маркеры - эффективный инструмент для исследования гаплотипов - сочетаний аллелей тесно сцепленных полиморфных локусов. Аллель - одна из возможных альтернативных форм гена, а локус - область локализации гена в хромосоме или молекуле ДНК. Такие хромосомные участки (гаплотипы) весьма невелики по размерам, поэтому очень редко рекомбинируют. Они ведут себя как единые блоки, мало меняющиеся во времени и поэтому имеющие довольно древнее происхождение. Таким образом, размер сохранившегося неизменным гаплотипа может служить мерой времени, которое прошло от какого-то момента в прошлом. В общем случае суть анализа гаплотипов состоит в поиске сцепления между собой локусов вследствие эффекта основателя. Анализ частоты и возраста появления в популяции гаплотипа позволяет проследить его историю, а вместе с ней и события, сопутствующие его распространению. Очевидно, что такие данные представляют большой интерес для изучения истории современных народов, характеристики генофондов и оценки основных направлений эволюции всего человечества.

В 80-90-х годах прошлого века шло интенсивное накопление знаний об изменчивости мтДНК человека, были описаны основные расовые и по-пуляционно-специфические типы мтДНК. Глобальный скрининг всех основных расовых групп человечества по полиморфизму митохондриаль-ного генома позволил выявить наиболее древние мутации - ключевые для определения расоспеци-фических кластеров. Установлено, что митохонд-риальные геномы представлены комбинациями расовых групп типов мтДНК, каждая из которых ведет происхождение от единственного основателя.

Сейчас изменчивость митохондриального генома изучается на качественно новом уровне. Анализ однонуклеотидных замен мтДНК, рыяв-ляемых классическим методом анализа полиморфизма ДНК, в сочетании с изучением нуклеотид-ной последовательности гиперизменчивой области мтДНК позволяет проводить комплексную оценку полиморфизма мтДНК в популяциях человека. Такой подход выявил важную для изучения молекулярной эволюции особенность мито-хондриальной ДНК: определенным расовым группам типов мтДНК, ключевые мутации которых расположены в различных участках молекулы, соответствуют вполне определеные типы нуклеотидных последовательностей гипервариа-бельного участка мтДНК. Поскольку существует неравновесие по сцеплению между мутациями в митохондриальном геноме, молекулу ДНК можно рассматривать как один локус, представленный множеством аллелей, определенные группы которых соответствуют определенным группам сцепления между конкретными мутациями. Эти два подхода положены в основу классификации и эволюции линий всего митохондриального генома современного человечества.

Дата добавления: 2015-04-24