Использование новейших технологий геномного анализа для изучения генофонда народов восточно-европейского региона, включая Муромский район Владимирской области

 

На рубеже двух последних тысячелетий произошло очень значимое событие: была завершена грандиозная работа по расшифровке генома человека, которая может быть отнесена к выдающимся достижениям современной науки наряду с такими, как расщепление атомного ядра, освоение космоса и другие. Получена громадная по объему информация о строении ДНК человека, разработано большое число новейших технологий. На основе развития этих исследований возникло новое научное направление, получившее название геномики.

Геномика революционизировала всю современную биологию, ее подходы и методы проникли во многие направления биологии. И это привело к тому, что уже внутри самой геномики стали развиваться специализированные разделы, такие, как функциональная геномика, сравнительная геномика, медицинская геномика, и, наконец, наиболее захватывающий раздел – этническая геномика.

Этническая геномика (этногеномика) изучает геномное разнообразие в генофонде различных популяций, народов, этно­территориальных сообществ.

Здесь важно отметить, что становление генофонда (совокупного генома) любой популяции и любого этноса определяется рядом причин. В первую очередь – это этническая история, т. е. эволюционные исторические траектории всех этнических компонентов, вошедших в состав современной этнической общности.

Во-вторых – роль естественного отбора, осуществляющего адаптацию генофонда популяции к конкретным условиям среды обитания.

В результате этих процессов происходит накоп­ление в генофонде конкретных популяций специ­фических характеристик, отличающих популяции одну от другой. 

Важную роль в исследованиях генофонда играют так называемые полиморфные маркеры ДНК. Несмотря на общие единые принципы строения генома человека, в нем имеется множество участков, по которым можно надежно отличать ДНК одного человека от другого. Такие участки называются маркерами ДНК. По маркерам ДНК можно устанавливать не только различия, но и степень сходства и родства людей, исследуя, в том числе, и их сообщества.

Самым интригующим в этнической геномике является то, что изучение генома ныне живущих людей дает возможность получить сведения об исторических событиях, через которые прошли те или иные этносы, т. е. в нашем геноме содержатся сведения о нашей истории. Чтобы прочесть эти сведения, необходимо провести анализ маркеров ДНК многих человеческих сообществ.

Но прежде необходимо сказать хотя бы несколько слов о самом геноме человека. Вспомним, что почти каждая клетка нашего тела (за редким исключением) содержит клеточное ядро. В каждом клеточном ядре имеются молекулы ДНК – материальные носители наследственности. Именно в ДНК зашифрованы все наши наследственные свойства и признаки, полученные нами от родителей. 

С химической точки зрения ДНК – это сложный биополимер, состоящий из соединенных между собой звеньев, называемых нуклеотидами. В составе ДНК имеется всего четыре таких звена, содержащих разные азотистые основания – аденин (A), гуанин (G), цитозин (C), тимин (T). Именно эти четыре азотистых основания и являются теми четырьмя буквами (AGCT), с помощью которых записана вся наша генетическая информация. Их расположение вдоль молекулы ДНК и является той материальной базой, которая определяет информационное содержания генома.

Весь наш геном содержит 3 миллиарда таких букв. Если содержание всего генома человека напечатать буквами AGCT обычным типографским шрифтом, то мы получим сотни увесистых томов типа энциклопедии.

 В результате многочисленных исследований было обнаружено очень важное свойство генома – его вариабельность – полиморфизм. Это свойство обнаруживается только тогда, когда сравнивают геномы разных людей между собой и выявляют различия. Геномный полиморфизм обозначает нейт­ральные вариации в строении генома разных людей. Нейтральные, или как их еще называют более образно – молчащие вариации – это те вариации, которые не проявляются внешне и не сказываются на здоровье человека.

Одним из важных типов полиморфизма являются точковые замены, т. е. одна буква меняется на другую. Это наиболее представленный в геноме полиморфизм. Например, у одних людей в одной конкретной точке имеется буква C, у других – T. Во второй точке – у одних людей G, у других – A. И таких вариабельных точек в геноме имеется несколько миллионов. Это огромная величина, хотя она составляет всего доли процента всего генома, учитывая, что размер генома – 3 млрд. нуклеотидов. И это свойство генома – его полиморфизм – активно используется в качестве инструмента в этнической геномике.

Следует отметить, что наш коллектив давно и активно ведет исследования в этой области, ­изучая разнообразие полиморфных маркеров ДНК в генофонде народонаселения России с акцентом на Восточно-Европейском регионе1. Мы исследуем более 20 русских популяций (включая муромскую), а также кавказские, финно-угорские и некоторые другие.

Одна из недавних наших работ была опубликована в 2013 г. и вызвала большой резонанс2. Мы провели анализ популяций, указанных на карте (Рис. 1). Было изучено 6 российских популяций (3 русских из центрального региона, русские, живущие на севере, вепсы и две контрастные популяции коми). Кроме того, здесь показаны популяции из других стран, предоставленные нашими коллегами, которых мы пригласили быть соавторами.

В этом исследовании была использована современная технология геномики – так называемое полногеномное сканирование с применением ДНК-микрочипов. Здесь микрочип содержал 370 тысяч полиморфных геномных участков. Это те участки, которые могут различаться у разных людей. 

Таким образом, геном каждого человека каждой популяции был исследован по 370 тысячам участков. Очевидно, что получившийся огромный массив информации должен быть обработан различными сложными математическими методами.

На рисунке 2 показан один из результатов этой работы. Здесь данные представлены в искусственном математическом пространстве главных компонент. Каждая точка, каждый отдельный значок обозначает геномные характеристики одного человека, изученные по сотням тысяч полиморфных маркеров. Разными значками обозначены геномные свойства индивидуумов из разных популяций. Значки образуют так называемые этнические облака. Ранее до нашего данного исследования генофонд европейцев был представлен угловой фигурой с двумя ветвями3. Здесь же она представлена в форме бумеранга. Одна ветвь направляется к южным европейцам, в нашем случае итальянцам. Другая ветвь отходит в сторону финских популяций. На пересечении этих двух ветвей находятся народы из центральной и восточной Европы – русские, латыши, поляки, чехи, немцы.

При добавлении изученных нами популяций из России обнаружилась новая ветвь, и европейский генофонд принял самолетноподобную форму. Имеется два крыла – одно финское, другое составлено из генофонда популяций коми. В промежутке между крыльями расположились две популяции – одна – вепсы (малая финноязычная народность, живущая на территории Вологодской области), другая – русские из Мезени (поморы с севера Архангельской области). 

Таким образом, здесь выявлено два интересных факта. Первый – это новая генетическая ветвь, представленная популяциями народа коми. Второй факт – это отличие генофонда русских севера от русских центрального региона. Вы видите, что русские курской, тверской и муромской популяций образуют на графике единое ядро, плотно смыкающееся с популяциями цент­ральной и восточной Европы. Северные русские находятся в отдалении – между ветвями коми и финнов. Это может свидетельствовать о том, что в их генофонд вошли значительные пласты финно-угорского компонента.

Мы решили более подробно рассмотреть облака русских из центрального региона. Убрали все зарубежные европейские облака – картина слегка, если можно так выразиться, разрыхлилась. И вот здесь мы увидели (Рис. 3), что этническое облако популяции Мурома слегка выдвигается из ядра центральных русских популяций, и выдвигается оно в сторону финно-угорских народов. Возможно, что таким образом здесь проявляется влияние генофонда племени мурома, которое вошло в состав современного населения региона и относилось к финно-угорскому миру. Сейчас мы отобрали из муромского облака несколько точек, наиболее сильно выдвинувшихся в сторону финно-угров. Возможно, что после полной расшифровки генома этих индивидуумов мы сможем увидеть более детально сохранившиеся в их геноме финно-угорские особенности.

Интересно, что такого рода исследования значимы не только для теоретической науки, но и для решения практических задач. 

Полученные результаты будут важны в дальнейшем для изучения социально значимых заболеваний, развития новых технологий их ранней диагностики и разработки методов их профилактики. По сути, это явится важным вкладом в разработку стратегии новой медицины, которая сейчас активно ведется в биомедицинских направлениях науки.

 

 

1 Лимборская С. А., Хуснутдинова Э. К., Балановская Е. В. Этногеномика и геногеография народов Восточной Европы. – М, 2002; Лимборская С. А., Вербенко Д. А., Хрунин А. В., Сломинский П. А. Этническая геномика народонаселения Восточно-европейского региона // Молекулярный полиморфизм человека: индивидуальное разнообразие биомакромолекул. – М., 2007. – С. 707-749; Лимборская С. А. Этническая геномика и эволюция человека // Человек, наука, гуманизм. К 80-летию со дня рождения академика И. Т. Фролова. – М., 2009. – С. 111-127; Лимборская С. А., Вербенко Д. А., Хрунин А. В., Сломинский П. А., Бебякова Н. А. Этническая геномика. Анализ геномного полиморфизма популяций Архангельской области // Вестник Московского университета. Серия XXIII. Антропология. – М., 2011. – № 3. – C. 100-119; Хрунин А. В., Фирсов С. Ю., Лимборская С. А. Полиморфизм генов репарации ДНК ERCC2 и XRCC1 в некоторых популяциях России // Генетика. – 2011. – Т. 47 (11). – С. 1565-1568; Limborska S. A., Verbenko D. A., Khrunin A. V. and Slominsky P. A. DNA diversity in modern East European human populations in view of demographic histories and adaptation // Палеонтологический журнал. – 2009. – Vol. 43. – № 8. – Р. 40-45; Limborska S., Khrunin A., Verbenko D. Minisatellite DNA Markers in Population Studies // Studies in population genetics. – Intech, Rijeka, 2012. – Р. 55-86; Khrunin A., Verbenko D., Nikitina K., Limborska S. Regional differences in the genetic variability of Finno-Ugric speaking Komi populations // Am J Hum Biol. – 2007. – Vol. 19. – № N 6. – Р. 741-750; Flegontova O. V, Khrunin A. V., Lylova O. I., Tarskaia L. A., Spitsyn V. A., Mikulich A. I., Limborska S. A. Haplotype frequencies at the DRD2 locus in populations of the East European Plain // BMC Genet. – 2009. – Sep 30; 10:62; Nelis M., Esko T., Mägi R., Zimprich F., Zimprich A., Toncheva D., Karachanak S., Pisk€ackov€a T., Balasc€ak I., Peltonen L., Jakkula E., Rehnstr€am K., Lathrop M., Heath S., Galan P., Schreiber S., Meitinger T., Pfeufer A., Wichmann H. E., Melegh B., Polg€ar N., Toniolo D., Gasparini P., D’Adamo P., Klovins J., Nikitina-Zake L., Kucinskas V., Kasnauskiene J., Lubinski J., Debniak T., Limborska S., Khrunin A., Estivill X., Rabionet R., Marsal S., Juli€a A., Antonarakis S. E., Deutsch S., Borel C., Attar H., Gagnebin M., Macek M., Krawczak M., Remm M., Metspalu A. Genetic structure of Europeans: a view from the North-East // PLoS ONE. – 2009. – № 4(5):e5472; Mirabal S., Regueiro M., Cadenas A. M., Cavalli-Sforza L. L., Underhill P. A., Verbenko D. A., Limborska S. A., Herrera R. J. Y-chromosome distribution within the geo-linguistic landscape of northwestern Russia // Eur J Hum Genet. – 2009. – V. 17. – № 10. – P. 1260-73; Semino O., Passarino G., Oefner P. J., Lin A. A., Arbuzova S., Beckman L. E., de Benedictis G., Francalacci P., Kouvatsi A., Limborska S., Marcikiae M., Mika A., Mika B., Primorac D., Santachiara-Benerecetti A. S., Cavali-Sforza L. L., Underhill P. A. The genetic legacy of Paleolithic Homo sapiens sapiens in extant Europeans: a Y chromosome perspective // Science. – Vol. 290. – № 5494. – Р. 1155-1159, 2000; Limborska S. A., Balanovsky O. P., Balanovskaya E. V., Slominsky P. A., Schadrina M. I., Livshits L. A., Kravchenko S. A., Pampuha V. M., Khusnutdinova E. K., Spitsyn V. A. Analysis of CCR5Δ32 geographic distribution and its correlation with some climatico-geographic factors // Human Heredity. – 2002 – Vol. 53. – Р. 49-5.

2 Khrunin A. V., Khokhrin D. V., Filippova I. N., Esko T., Nelis M., Bebyakova N. A., Bolotova N. L., Klovins J., Nikitina-Zake L., Rehnström K., Ripatti S., Schreiber S., Franke A., Macek M., Krulišová V., Lubinski J., Metspalu A., Limborska S. A. A genome-wide analysis of populations from European Russia reveals a new pole of genetic diversity in northern Europe // PLoS One.  – 2013. – 8(3):e58552. doi: 10.1371/journal.pone.0058552. Epub 2013 Mar 7.

3 Mirabal S., Regueiro M., Cadenas A. M., Cavalli-Sforza L. L., Underhill P. A., Verbenko D. A., Limborska S. A., Herrera R. J. Y-chromosome distribution within the geo-linguistic landscape of northwestern Russia // Eur J Hum Genet. – 2009. – V. 17. – № 10. – P. 1260-73.