ИЗУЧЕНИЕ КОРЕННЫХ НАРОДОВ ЕВРАЗИИ, ВОСТОЧНОЙ АЗИИ И АМЕРИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АУТОСОМНЫХ SNP/STR-СИСТЕМ

И. Г. Удина, Л. А. Животовский

Институт общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН, Москва, Россия: irina_udina@mail. ru

Изучен ДНК-полиморфизм популяций человека в Северной Азии и Америке с ис — пользованием аутосомных SNP/STR-систем. Показана чрезвычайно высокая раз — решающая способность SNP/STR-систем для проведения исторических и гене — тических исследований популяций человека. Анализ генетических расстояний, проведенный методом многомерного шкалирования, показал, что популяции аме — риканских индейцев демонстрируют ярко выраженные последствия генетического дрейфа: они сильно дифференцированы между собой и по отношению к остальным популяциям мира, а эскимосы Гренландии формируют единый кластер с популяци — ями коренного населения Северной Азии, за исключением тех, в генофонде которых проявляются следы метисации с европейцами. Особенности современной картины дифференциации малочисленных популяций в Северной Азии и Америки указыва — ют на важную роль дрейфа, а для отдельных популяций и относительно недавних процессов метисации с пришлым населением, в ее формировании.

Ключевые слова: аутосомные SNP/STR-системы, дифференциация популяций, по — пуляции человека, коренное население, расселение человечества, Сибирь, Америка, Восточная Азия, Западная Евразия.

Введение

Для изучения филогении и истории популяций человека разработаны аутосом — ные SNP/STR-системы, состоящие из тесно сцепленных пар аутосомных SNP — и STR-маркеров (Mountain et al., 2002). STR-локусы мутируют быстро (со скоростью порядка 10-3 на сайт на поколение) и могут служить быстрыми «молекулярны — ми часами», в то время как SNP эволюционируют медленно (10-6–10-7). Мутации в STR-локусах могут происходить как с увеличением числа повторов, так и с их редукцией. В этой связи изучение вариабельности STR-локуса на фоне тесно сце — пленного c ним SNP позволяют подразделять вариабельность, ассоциированную с альтернативными аллелями SNP, что предполагает большую надежность датировок с использованием таких систем. Применение математического моделирования по — казало, что использование SNP/STR-систем в популяционно-генетических иссле — дованиях значительно более информативно по сравнению с применением только STR-маркеров и дает большую надежность датировок исторических событий (Ra — makrishnan, Mountain, 2004).

Применение микросателлитов — коротких тандемных повторов в геноме или STRs (short tandem repeats) для изучения популяций человека позволило не только дифференцировать популяции и рассматривать исторические всплески их числен — ности, но и датировать конкретные события в истории человечества на основе оце — нок их скорости мутирования. Наиболее примечательным исследованием с приме — нением микросателлитов является анализ 377 микросателлитных локусов (45 c ди-,

58 с три — отоков рас — селения человечества из Сибири в Америку.

Материалы и методы

В популяциях азиатского и американского континентов нами проведен анализ трех SNP/STR-систем (22SR1, 8SR2 и 5SR1), разработанных на основе нуклео — тидных последовательностей человека (зарегистрированы в GenBank: AC026743, AL008721 и AC009514, соответственно) (Mountain et al., 2002), в связи с рассмотре — нием генетической дифференциации популяций на пути одного из основных по — токов человечества.

Изучены выборки: из Восточной Азии — камбоджийцы (N=27), китайцы (мао) (N=25) и японцы (N=25); из Западной Сибири — манси (N=24);, из Центральной Азии / Южной Сибири — монголы (N=55), алтайцы (N=26), тувинцы (N=50), тод- жинцы (N=49) и буряты (N=46); из Средней Сибири — западные эвенки из двух поселков (Полигус (N=27) и Суринда (N=33)); с Дальнего Востока — восточные эвенки (N=24), эвены (N=46), нанайцы (N=28), коряки (N=13) и алеуты (N=31); из Северо-Восточной Сибири — якуты (N=17); из Южной Азии — калаш (N=24), брахуи (N=30), балочи (N=20), бурушо (N=25) — все из Пакистана; из Северной Америки — эскимосы Гренландии — инуиты (N=36), а также объединенная груп — па североамериканских индейцев (N=16); Центральной Америки — майя (N=22);

индейцы Южной Америки — Колумбии (N=11) и бассейна Амазонки — каритиана (N=22) и суруи (N=30). Мы также изучали группу индивидумов смешанного проис — хождения (метисы эвенков с лицами славянского происхождения (N=13), что под — тверждено данными по родословным (обозначение “Sl-by-Ev”).

Все образцы ДНК из перечисленных выборок (за исключением сибирских) были предоставлены Л. Кавалли-Сфорца. Образцы крови эвенков собраны в пос. Полигус и Суринда в ходе экспедиций 1990-х гг. (Институт цитологии и генетики СО РАН (Л. П. Осипова), образцы крови тувинцев — в г. Кызыл (республика Тыва) в 1999 г. у студентов Тывинского государственного университета одновременно с данными об их родословных (Ч. М. Доржу, Тывинский государственный университет), осталь — ные сибирские выборки были предоставлены Ю. В. Шнейдером (Институт общей генетики РАН) и В. А. Спицыным (Институт медицинской генетики РАМН), мон — гольская выборка — Тс. Тседевым (Институт биологических наук Монгольской Академии наук) (см. также Удина и др. 2005).

Дополнительно в наш анализ включены ранее опубликованные данные по пред- ставителям населения Европы (N=4), Южной Африки (N=14), Северной Африки (N=3), Ближнего Востока (N=4) (Mountain et al., 2002). Последние две выборки объединены и обозначены “NA&ME”. Следует заметить, что использование неболь — ших выборок в данном анализе вполне правомочно, так как мы изучаем в нашем исследовании не менее 70 различных гаплотипов по трем SNP/STR-системам.

С помощью компьютерной программы GDA определяли матрицу попарных

значений FST между популяциями (точнее — величин θ, Weir, 1996) (Lewis, Zaykin,

2001). Затем по этой матрице были получены две главные координаты, обозначен-ные как PC1 и PC2, методом многомерного шкалирования с применением пакета

программ SPSS 8.0.0. В проведенном анализе генотип каждого индивидуума был

представлен двумя SNP/STR-гаплотипами по каждой из систем маркеров.

Результаты и обсуждение

Частоты SNP и вариабельность в STR-локусах с конкретными SNP-мар — керами. Частоты аллелей SNP сильно варьируют от одной группы популяций к другой группе в зависимости от их географического положения. Аллель SNP-T системы 22SR1 близок к фиксации в коренном населении Америки, а в сибирских и азиатских популяциях имеет относительно более низкие частоты. (Альтерна — тивный аллель SNP-С этой системы имеет противоположную тенденцию, так как его частота дополняет до единицы частоту аллеля SNP-T.) Аллель SNP-T системы

5SR1, напротив, близок к фиксации в популяциях Восточной Азии и Сибири, а в популяциях Западной Азии и Америки имеет промежуточные частоты. Аналогично вышесказанному, частота альтернативного аллеля SNP-G системы 5SR1 ведет себя как дополняющая к частоте аллеля SNP-T.

Вариабельность STR, ассоциированная с каждым из альтернативных SNP — аллелей, различается в каждой из изученных SNP/STR-систем. Для системы 22SR1 внутривыборочная дисперсия числа повторов по STR-аллелям, сцепленным с SNP-T, гораздо выше, чем соответствующая STR-дисперсия для SNP-C, это объяс — няется тем, что T является более древним аллелем системы 22SR1, чем C (Moun — tain et al., 2002), и следовательно, успел накопить большее ассоциированное STR- разнообразие в ходе эволюции.

Выраженный контраст между альтернативными SNP-аллелями наблюдали и для системы 5-SR1, где отмечены различия по средним значениям внутривыбо — рочных дисперсий для SNP-аллелей T и G. Так, дисперсия числа повторов STR — аллелей, сцепленных с аллелем T, значительно больше, чем дисперсия, ассоции — рованная с аллелем G, что позволяет предположить, что в системе 5-SR1 аллель T древнее аллеля G.

Генетическая дифференциация популяций. Основным результатом проведен — ного анализа явилось то, что изученные нами популяции при применении метода

многомерного шкалирования значений θ разделились на три основных естествен-ных кластера (рис. 1): Западную Азию, Восточную Азию, Южную Америку. Для

 

популяций индейцев Южной Америки четко прослеживается удаленность их про — екций от остальных изученных популяций, а также эти популяции демонстрируют последствия генетического дрейфа, так как проекции их значительно удалены друг от друга. Полученная картина для популяций южноамериканских индейцев вполне соответствует ранее полученной на основе 377 микросателлитных локусов (Zhivo- tovsky et al., 2003), что указывает на чрезвычайно высокую разрешающую способ — ность рассмотренных в работе аутосомных SNP/STR-систем. Так, например, про — екция популяции калаш смещается к европейцам (из всех четырех пакистанских популяций одна), что соответствует истории ее формирования: считается, что в ней

Рис. 1. Представлен результат многомерного шкалирования попарных величин θ, Weir,

1996, между популяциями. Обозначения: 1 — Южная Африка, 2 — Северная Африка и

Ближний Восток (“NA&ME”), 3 — население Европы, 4 — метисы эвенков с европейцами,

5 — бурушо, 6 — балочи, 7 — брахуи, 8 — калаш, 9 — камбоджийцы, 10 — китайцы,

11 — японцы, 12 — монголы, 13 — алтайцы, 14 — тувинцы, 15 — тоджинцы, 16 — манси,

17 — буряты, 18 — якуты, 19 — западные эвенки п. Полигус, 20 — западные эвенки

п. Суринда, 21 — восточные эвенки, 22 — нанайцы, 23 — эвены, 24 — коряки, 25 — алеуты,

26 — эскимосы Гренландии (инуиты), 27 — североамериканские индейцы, 28 — майя,

29 — индейцы Колумбии, 30 — каратиана, 31 — суруи. Другие обозначения: East Asia — Восточная Азия, Western Eurasia — Западная Евразия, American Indians — американские индейцы, Dimension1 — измерение 1, Dimension2 — измерение 2.

присутствуют потомки войска Александра Македонского. Четко выявляется груп — па северных популяций, которая объединяет не только сибирские популяции, но и эскимосов Западного полушария. Проекции сибирских популяций с недавней ев — ропейской примесью смещаются из области сибирских популяций к европейским и смешанным по происхождению группам (например, алеуты). Следует отметить, что малочисленные сибирские народы испытали значительную метисацию с пришлым европейским населением особенно в XIX–XX вв. Применение аутосомных SNP/ STR-систем позволяет выявлять сибирские народы со значительной европейской примесью в их генофонде.

Заключение

Заселение Сибири и Америки сопровождалось значительной генетической дифференциацией, проявляющейся сейчас в особенностях изменчивости мтДНК и Y-хромосомы в популяциях человека из этих регионов. Аутосомные маркеры позволяют исследовать комбинативный вклад материнской и отцовской линий в дифференциацию популяций и выявить популяционно-генетическую структуру по локусам, которые представляют большую часть генома человека. Проведенное нам исследование выявляет дифференциацию популяций Азии и Америки по трем аутосомным SNP/STR-системам, что позволяет считать важным разработку новых SNP/STR-систем в целях использования их наряду с другими ДНК-маркерами для решения проблем эволюционной генетики человека, в частности для рассмотрения проблем, связанных с заселением Сибири и Америки. Так, например, особенности географического распространения гаплотипов SNP/STR системы 8SR2 позволяют предполагать возможность существования обратных миграций из Америки в Си — бирь, что недавно было показано при изучении полноразмерной митохондриальной ДНК (Tamm et al., 2007).

В нашем исследовании продемонстрирована высокая информативность и раз — решающая способность аутосомных SNP/STR систем на фактических данных по дифференциации популяций на пути одного из основных «потоков» человечества — из Азии через Сибирь в Америку.

Работа поддержана программой РАН «Генофонды и генетическое разнообразие».

Литература

Удина И. Г., Животовский Л. А., Найт А., Доржу Ч. М., Осипова Л. П., Тседев Тс., Шнейдер Ю. В., Спицын В. А., Фэлдман М. В., Маунтин Дж. Л. Этногеномика коренных популяций Ев — разии, Восточной Азии и Америки с использованием аутосомных SNP/STR-систем // Приложение к журналу «Открытое образование» 2005. № 3. C. 45–46.

Lewis P. O., Zaykin D. Genetic Data Analysis: Computer program for the analysis of allelic data.

Version 1.0 (d16c) [Электронный ресурс]. Электрон. дан. Режим доступа: http://lewis. eeb. uconn. edu/lewishome/software. html. 2001(free program distributed by the authors over the Internet)

Mountain J. L., Knight A., Jobin M., Gignoux Ch., Miller A., Lin A. A., Underhill P. A. SNPSTRs: Empirically derived, rapidly typed, autosomal haplotypes for inference of population history and mutational processes // Genome Research. 2002. Vol. 12. № 11. P. 1766–1112.

Ramachandran S., Rosenberg N. A., Zhivotovsky L. A., Feldman M. W. Robustness of the inference of human population structure: a comparison of X-chromosomal and autosomal microsatellites // Human Genomics. 2004. Vol. 1. № 2. P. 87–97.

Ramakrishnan U., Mountain J. L. Precision and Accuracy of Divergence Time Estimates from STR and

SNPSTR Variation // Molecular Biology and Evolution. 2004. Vol. 21. № 10. P. 1960–1971.

Rosenberg N. A., Pritchard K., Weber J. L., Cann H. M., Kidd K. K., Zhivotovsky L. A., Feldman M. W.

Genetic structure of human populations // Science. 2002. Vol. 298. P. 2381–2385.

Tamm E., Kivisild T., Reidla M. et al. Beringian Standstill and Spread of Native American Founders //

PLoS ONE. 2007. 2(9). e829.

Underhill P. A., Shen P., Jin L., Passarino G. et al. Ychromosome sequence variation and the history

of human populations // Nature Genetics. 2000. Vol. 26. № 3. P. 358–361.

Zhivotovsky L. A., Rosenberg N. A., Feldman M. W. Features of evolution and expansion of modern

humans inferred from genome — wide microsatellite markers // American Journal of Human

Genetics. 2003. Vol. 72. P. 1171–1186.

Weir B. S. Genetic Data Analysis II: Methods for discrete population genetic data. Sunderland

(Mass.): Sinauer Associates, 1996. XII, 445 p.

The Study of Indigenous Populations of Eurasia,

East Asia and America by Autosomal SNP/STR-Systems

I. G. Udina, L. A. Zhivotovsky

N. I. Vavilov General Genetics Institute, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia: irina_udina@mail. ru

We investigate DNA variation in human populations of northern Asia and the Ameri — cas, using the simultaneous analysis of tightly linked pairs of autosomal SNPs and STRs (SNPSTRs). Data from populations sampled in southern Asia, Europe and Africa are in — cluded to establish geographic context. We demonstrate that SNPSTRs can aid in the historical and geographic analysis by using SNPs for the spatial distribution of DNA variation, and calibrating evolutionary time using the associated STR. In terms of genetic distances, the American Indian populations are differentiated from the rest of the world, while the Greenland Inuit fall in a distinctive cluster formed by northern Asian popula — tions except for those that appear to include a European component. Both admixture and random genetic drift have played a significant role in population diversification in small northern Asian and American indigenous populations.

Keywords: autosomal SNP/STR-systems, differentiation of populations, indigenous population, human populations, human settlement, Siberia, America, Eastern Asia, West — ern Eurasia.

Материал взят из: Чарльз Дарвин и современная биология. Труды Международной научной конференции (21–23 сентября 2009 г., Санкт — Петербург)