Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Полиморфизм митохондриальной ДНК у восточных славян

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Полиморфизм митохондриальной ДНК у восточных славян"

I I >3

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ГЕНЕТИКИ им. Н.И.ВАВИЛОВА

На правах рукописи УДК 575.174.599.9

МАЛЯРЧУК

/IпкУ Борис Аркадьевич

ПОЛИМОРФИЗМ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК

У ВОСТОЧНЫХ СЛАВЯН

Специальность - 03.00.15 Генетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 1996

Работа выполнена в лаборатории генетики Института Биологических Проблем Севера Дальневосточного отделения РАН (зав. лабораторией - д. б. н. Л.Л.Соловенчук)

Научный руководитель:

доктор биологических наук Л.Л.Соловенчук Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Ю.Г.Рычков

доктор биологических наук О.В.Евграфов

Ведущее учреждение - Медико-генетический научный центр РАМН (1 15478, Москва, ул. Москворечье, д. 1)

Защита диссертации состоится _1996 г.

в_час._мин. на заседании диссертационного Совета

(Д 002.49.01) при Институте Общей Генетики им. Н.И.Вавилова РАН по адресу: 1 17809, ГСП-1, Москва, В-333, ул. Губкина, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОГен РАН

Автореферат разослан ¿0 ЮлГрЯ. 1996

г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат биологических наук

Г. Н. Полухина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В эпоху научно-технического прогресса, сопряженного с интенсивным ростом численности народонаселения планеты и интенсивными миграционными процессами, приводящими к широкой панмиксии и стиранию генетических границ между этническими группами человека, проблема охраны генофонда планеты как совокупности генофондов отдельных больших и малых народов становится актуальнейшей проблемой современности. В настоящее время молекулярно-генетическое изучение популяций человека имеет важное теоретическое значение, поскольку результаты его могут быть применимы в различных областях науки: в генетике и медицине, антропологии и археологии, истории, этнографии и лингвистике.

Данные о разнообразии митохондриального генофонда человечества позволили получить новую информацию как о происхождении и дифференциации больших расовых групп человека, так и о демографической истории конкретных народов. Население России, крайне разнообразное в этническом отношении, недостаточно изучено в генетическом отношении. Особенно это относится к анализу полиморфизма митохондриальной ДНК (мтДНК), который является высокоинформативным инструментом для исследования структуры популяций человека. Поэтому детальное изучение генетической структуры любой популяции нашей страны является важным вкладом в сумму знаний о разнообразии генофонда человечества.

Восточные славяне (русские, украинцы и белорусы) являют собой пример многомиллионных народов со сложнейшей этнической историей, генетические аспекты которой остаются малоизученными. Однако, прогресс молекулярной генетики позволяет в настоящее время подойти к решению проблем, связанных с происхождением и ранней историей народов, с помощью анализа полиморфизма ДНК. Регистрация и идентификация основных генетических компонентов генофондов в приложении к реконструкции эпизодов ранней истории народов служат важным элементом в комплексном научном знании об истории человечества.

Северо-Восток России представляет собой уникальный регион для изучения генетических процессов в популяциях человека, так как на этой территории, с одной стороны, исторически сложился ряд этнических групп коренного монголоидного населения, а, с другой стороны, идет формирование пришлого и преимущественно европеоидного населения за счет привлечения людей из зон более благоприятных в климато-географическом отношении. Пришлое население Северо-Востока России

представлено выходцами из различных регионов бывшего Советского Союза и характеризуется высокой миграционной активностью. В этой связи митохондриальный генофонд восточнославянской группы пришлого населения Северо-Востока России можно рассматривать как генофонд, приближенно соответствующий таковому для восточных славян в целом.

Результаты изучения полиморфизма мтДНК у восточных славян могут быть использованы в анализе происхождения как собственно праславян, так и древнейших народов Восточной Европы, ассимилированных праславянами в процессе формирования восточнославянских племен. Молекулярно-генетическая информация об индоевропейском населении Восточной Европы является важным дополнением к имеющимся данным по населению других регионов Европы и позволяет более целостно подойти к анализу распределения маркеров мтДНК в популяциях человека с целью реконструкции эпизодов ранней истории народонаселения Европы.

Цели и задачи исследования. Цель работы - изучение полиморфизма мтДНК у восточных славян в сравнительном аспекте. В исследовании были поставлены задачи:

1) детально проанализировать митотипическую структуру восточных славян (с применением методов анализа полиморфизма длины рестрикционных фрагментов мтДНК и полиморфизма нуклеотидных последовательностей гипервариабельного сегмента I контрольного региона и фрагмента гена цитохрома Ь митохондриального генома) в сравнении с имеющимися литературными данными по русскому населению России;

2) идентифицировать основные генетические компоненты митохондриального генофонда современных восточных славян;

3) оценить филогенетическое положение восточных славян среди народов мира, принадлежащих к европеоидной расе;

4) предпринять попытку реконструкции древнейшей истории формирования народонаселения Европы с учетом данных об основных генетических компонентах митохондриального генофонда европейского народонаселения.

Научная новизна работы. В работе впервые описана структура типов мтДНК у восточных славян России по данным анализа полиморфизма нуклеотидных последовательностей контрольного региона и гена цитохрома Ъ, а также анализа полиморфизма длины рестрикционных фрагментов мтДНК. Идентифицированы основные группы типов мтДНК восточных славян. Сравнительный анализ позволил

установить выраженное генетическое сходство между современными восточными славянами и народами Южной Европы.

Детально описана структура широко распространенного среди восточных славян европеоидного маркера ВатНТ-3/ЛЛ/;I-4. Установлено, что этот маркер представляет собой группу сцепления из семи мутаций в некодирующей области и генах мтДНК. С помощью анализа попарных нуклеотидных различий между типами контрольного региона мтДНК у населения Европы установлено, что очагом формирования разнообразия в пределах митогруппы ВатН1-Ъ/М$р1-4 является население Южной Европы, откуда маркер распространялся в процессе миграций (начиная, по-видимому, с эпохи неолита) среди населения восточной и северозападной частей Европы. Косвенным подтверждением этому является установленное нами сходство между географическим распределением в европеоидных популяциях частот этого митохондриального маркера и биохимического маркера: аллеля АсР1*С кислой фосфатазы эритроцитов, свойственного народам индо-европейской языковой семьи.

Впервые проанализировано распределение маркеров мтДНК в региональных группах народонаселения Европы с целью тестирования влияния неолитических миграций европеоидов из Передней Азии в Европу (в соответствии с гипотезой Аммерман и Кавалли-Сфорца (Аттеппап, Сгг/аШ^огга, 1984) на генетический облик европейцев. Установлены генетические различия между населением юго-восточной и северо-западной частей Европы, что свидетельствует в пользу представлений о более существенном вкладе дсмичсской диффузии на юго-востоке Европы в сравнении с северо-западной частью Европы.

Научно-практическое значение. Полученные молекулярно-генетические данные имеют междисциплинарное значение и поэтому могут быть использованы не только в генетике человека и конкретно в генетике восточнославянского народонаселения, но и в антрополопш, истории и археолог™. В работе представлены молскулярно-генетические подходы для исследования истории народонаселения Европы в эпоху неолита, в то время как в зарубежных исследованиях основное внимание уделяется эпохе верхнего палеолита. Полученная в работе информация о зонах максимальной демической диффузии европейского населения в неолите может быть использована в планировании археологических и палеоантропологических исследований, связанных с проблемами появления технологий агрокультуры и динамики комплекса антрополотческих признаков у древнейшего населения Европы.

Поскольку полиморфизм мтДНК проанализирован на популяци-онном уровне, полученная информация имеет и медицинское значение, так как в работе представлены данные о вариабельности мтДНК,

характерной для здорового населения восточнославянской группы народов. В число изученных полиморфных сайтов входили мутации, потенциально связанные с митохондриальными заболеваниями; в частности, мутация MTND5*LHC)N13708A, сопутствующая наследственной зрительной нейропатии (болезни Лебера).

Основные положения работы, выносимые на защиту.

1. Митохондриальный генофонд восточных славян представлен преимущественно европеоидными типами мтДНК. Монголоидная примесь незначительна. Около 20% выявленных митотипов характерны только для населения Южной Европы.

2. Эволюционный возраст типов мтДНК у восточных славян, рассчитанный по степени дивергенции нуклеотидных последовательностей контрольного региона, составляет 10-40 тысяч лет.

3. В митохондриальном генофонде восточных славян существует группа типов ДНК {BamHI-Ъ/Mspl-A) со строгой ассоциацией между семью мутациями в кодирующих и некодирую щих участках генома.

4. Высокое генетическое сходство между восточными славянами и современным населением Южной Европы свидетельствует в пользу представлений о южноевропейском происхождении основного генетического компонента славян.

5. Существует сходство между географическим распределением в популяциях европеоидных типов мтДНК (митогруппа BamHI-Ъ/Mspl-4) и биохимических маркеров (аллель АсР*С кислой фосфатазы эритроцитов).

6. Дифференциация населения Европы по типам мтДНК отражает характер неолитических миграций европеоидов из Передней Азии.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на научных сессиях Института биологических проблем Севера ДВО РАН (Магадан, 1990, 1993, 1995); на семинаре по молекулярной эволюции в Институте арктической биологии Университета штата Аляска (Fairbanks, USA, 1994); 1(3)-м Всероссийском съезде медицинских генетиков (Москва, 1994); 1-й Международной научно-практ. конференции (Магадан, 1995); 3-й научной конференции аспирантов и соискателей (Магадан, 1996); межлабораторном семинаре Института биологических проблем Севера ДВО РАН (Магадан, 1996); межлабораторном семинаре «Общая и молекулярная генетика» ИОГен РАН (Москва, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов и обсуждения, заключения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста и включает 22 таблицы и 7 рисунков. Список литературы содержит 165 источников, в том числе 35 публикаций на русском языке.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Обзор литературы состоит из пяти разделов. В первом и втором разделах дается структурно-функциональная характеристика митохонд-риального генома человека и его наиболее вариабельной части -контрольного региона. Благодаря трем основным свойствам, т.е. наследованию по материнской линии, отсутствию рекомбинаций и высокому уровню изменчивости, мтДНК является важным инструментом эволюционной и популяционной генетики. В третьем разделе изложены данные об использовании полиморфизма мтДНК в изучении эволюции человека. Далее в обзоре приводятся основные результаты исследований полиморфизма мтДНК в популяциях человека в целом (раздел 1.4) и в европеоидных популяциях России (раздел 1.5).

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследована выборка жителей г. Магадана (N=100, 82 женщины и 18 мужчин), имеющих восточнославянское происхождение и не состоящих в родстве по материнской линии. По данным анкетирования выборка представлена лицами русской, украинской и белорусской национальности (85, 10 и 5%, соответственно) - выходцами из различных регионов страны.

В работе использованы следующие биологические ткани, полученные от здоровых доноров: плацента (получена из родильного дома г. Магадана), кровь (из областной станции переливания крови, г. Магадан) и в нескольких случаях волосяные луковицы.

Для анализа полиморфизма мтДНК использованы следующие методы: выделение тотальной и митохондриальной ДНК из плацентарной ткани или крови; амплификация участков гена субъединицы 5 NADH-дегидрогеназы (12278-13950 пн), генов цитохрома Ь, тРНК(ТЬг), тРНК(Рго) и участка контрольного региона (1555316547 пн) и региона V (8196-8316 пн) с последующим рестрикционным анализом этих участков мтДНК 12-ю эндонуклеазами: Alul, Avail, Ват И I,

Bs!N7, EcoRV, Haelll, Hinfl, Hpal., Kpnl, Mspl, Rsal и Sau ЗА Г, прямое ееквенирование гипервариабельного сегмента I контрольного региона (16000- 16360 пн) и участка гена цитохрома b (14876-15115 пн); филогенетический анализ, проведенный совместно с сотрудником ИБПС ДВО РАН М.ВДеренко. Данные по кластеризации нуклеотидных последовательностей мтДНК у восточных славян с использованием метода медианных сетей (Bandelt et al., 1995) любезно предоставлены проф. Г.-Й. Бандельтом (Гамбургский Университет, Германия).

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ

1. ПОЛИМОРФИЗМ ДЛИНЫ РЕСТРИКЦИОННЫХ ФРАГМЕНТОВ мтДНК У ВОСТОЧНЫХ СЛАВЯН

В результате исследования рестрикционного полиморфизма амп-лифицированных в ПЦР трех участков мтДНК у 71 индивидуума обнаружено 20 полиморфных рестрикционных сайтов и 29 типов мтДНК (митотипов), представляющих собой 5 групп митотипов (митогрупп) А-Д, сходство между типами в которых определяется наличием одной определенной или сочетанием нескольких мутаций (табл. 1). Митотипы, не укладывающиеся ни в одну из четырех митогрупп (А-Г) обозначены как «другие» в виде митогруппы Д.

Таблица 1

Митогруппы и их частоты у восточных славян

Mirrorpynna n %

А -16125 Rsal: 20 28,2

AI +13366 Амг#//+15606 Л/«//-15925 Mspl/ И 15,5

-16125 Rsal/+16517 Haelll

А2 -13704 BstNI/-16065 Hinfl/-16125 Rsal 5 7,0

A3 -16125 Rsal 4 5,7

Б + 16517 Haelll 14 19,7

В Кембриджская последовательность 10 14,1

Г + 16274 EcoRV 9 12,7

д Другие митотипы 18 25,3

Самой распространенной среди восточных славян является митогруппа А, для митотипов которой характерно отсутствие рестрикционного сайта для RsaI в позиции 16125 пн. Эта митогруппа дифференцируется на подгруппы А1, А2 и АЗ. Митотипы подгруппы А1 зарегистрированы с частотой 15,5% у русских, украинцев и белорусов

и определяются сочетанием сайтов +13366 BamHf/+\56Q6 Alulj-15925 Ms/)//-16125 Rsal/+16517 НаеШ.

Появление сайта для Ват HI является результатом транзиции G-А в позиции 13368 пн гена субъединицы 5 NADH-дегидрогеназы (Santacliiara Benerecetti et al., 1988). Такого рода BamHI- полиморфизм мтДНК зарегистрирован в различных европеоидных популяциях в виде сочетания +13366 BamHI/-15925 Mspl или BamHI-Ъ/MspI-4 согласно номенклатуре, предложенной Джонсоном и др. (Johnson et al., 1983). Максимальные значения частот этого европеоидного маркера обнаружены у населения Италии (11-15%) (Santacliiara Benerecetti et al., 1988; Sartoris et a!., 1988). Среди европеоидного населения Западной и Северной Европы и Северной Америки митотип ВатШ-Ъ/MspI-4 зафиксирован с частотой 3-6% (Johnson et al., 1983; Viikki et al., 1988; Torroni et al, 1994).

Митотипы подгруппы А2 (частота 7,0%) также обнаружены среди русских, украинцев и белорусов и определяются сочетанием сайтов -13704 BstNI/-l6065 Hinfl/-16125 Rsal. Эта ассоциация является специфической для европеоидов (Torroni et al., 1994) и распространена среди европейского населения в среднем с частотой 5-9%, сходной с таковой для восточных славян. Подгруппа А2 интересна также в том плане, что с мутациями -13704 BstNI/-16065 Hinfl в типах мтДНК сочетаются missens-мутации MTND6*LHON14484C и MTCYTB* ♦LHON15257A, ассоциированные с наследственной зрительной нейро-патией (болезнью Лебера) (Brown et al., 1992; Wallace, 1995). В отличие от указанных выше нуклеотидных замен, вторичные мутации -13704 ÄtfAT/-16065 Hinfl wc являются патогенными, однако определенный риск возникновения заболевания у носителей этой митогруппы, вероятно, есть (Howell et al., 1995; Wallace, 1995). Митотипы подгруппы A3 зафиксированы у четырех индивидуумов русской и украинской национальности. В отличие от восточных славян у населения Западной Европы подгруппа A3 не выявлена, в то время как среди европеоидов Передней Азии ее распространенность довольно высока (до 20%).

В исследованной выборке восточных славян обнаружены два митотипа с вариантом +15882 Avail (транзиция G-A в позиции 15884 пн). Эта мутация определяет две морфы: Ava 11-6 и Л\>а/1-20Ыу. Обе они ранее были зарегистрированы с низкой частотой только у населения Южной Европы. С помощью анализа ПДРФ целых молекул мтДНК восточных славян нами установлено, что один из митотипов включает морфу AvaII-6, а другой - AvaZI-20my.

Результаты проведенного исследования свидетельствуют о достаточно высокой разрешающей способности рестрикционного анализа

для выявления полиморфизма мтДНК в восточнославянской группе. Выделены пять митогрупп, каждая из которых распространена с частотой выше 10%. В виде маркеров рас идентифицированы 28,1% митотипов. Из них маркером монголоидной расы является вариант -12406 Hpal (частота 1,4%). Около 27% типов мтДНК восточных славян включают европеоидные маркеры. Это митотипы подгруппы А2 (частота 7,0%), свойственной в целом европеоидам; митотипы подгруппы AI (15,5%) и редкие варианты, характерные для народов Южной (2,8%) и СевероЗападной (1,4%) Европы. В итоге около 20% митохондриального генофонда восточных славян представлено типами мтДНК, свойственными для населения Южной Европы, что, вероятно, свидетельствует

0 выраженном эволюционном родстве этих народов и о сохранности в их митохондриальных генофондах общего исходного генетического субстрата.

2. ИЗМЕНЧИВОСТЬ НУКЛЕОТИДНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ

КОНТРОЛЬНОГО РЕГИОНА мтДНК ВОСТОЧНЫХ СЛАВЯН

В случайной выборке из 23 человек проанализирована изменчивость нуклеотидных последовательностей гипервариабельного сегмента

1 (ГВС1), представляющего собой наиболее вариабельную часть контрольного региона мтДНК человека (Vigilant et al., 1989). С использованием метода прямого секвенирования ДНК определены нуклеотидные последовательности первых 360 нуклеотидов ГВС1 между позициями 16000-16360 пн.

На рисунке показаны 23 типа ГВС1 мтДНК, обнаруженные в настоящем исследовании, и тип 24, описанный ранее Ивановой (1993). Каждому индивидууму соответствует собственная последовательность. Точечные замены выявлены в 31 нуклеотидной позиции ГВС1 мтДНК. Из них 30 являются транзициями и одна замена С-А в позиции 16232 пн относится к типу трансверсий. Отношение транзиций к трансверсиям у восточных славян оценивается как 30:1, что соответствует таковому для большинства популяций (Ward et al., 1993).

Для анализа сходства между нуклеотидными последовательностями ГВС1 контрольного региона мтДНК использованы два метода филогенетического анализа: метод минимальных квадратов (программы DNADIST и FITCH пакета PHYLIP 3.3) (Felsenstein, 1990) и метод медианных сетей (Bandelt et al., 1995). В отличие от большинства методов филогенетического анализа последовательностей ДНК метод медианных сетей позволяет проводить кластеризацию типов ДНК с учетом параллельных мутационных событий, т.е. идентичных мутаций, происхождение которых является независимым. Из рисунка видно, что

исследуемые митотипы восточных славян кластеризуются в три группы. Как и в случае применения FITCH- анализа, две группы митотипов определяются мутациями в позициях 16126 пн и 16311 пн. Третья группа митотипов связана посредством одного мутационного события (за исключением типов 12, 22 и 23) с центральным митотипом 1*, соответствующим ГВС1 контрольного региона опубликованной кембриджской последовательности мтДНК (Anderson et al., 1981). Центральное положение типа 1 * характерно в целом для европейских популяций, в которых этот митотип распространен с частотой порядка 20% (Richards et al., 1993; Bandelt et al., 1995). В отличие от большинства популяций Европы в проанализированной выборке восточных славян тип 1* обнаружен только у одного индивидуума (частота 4,16%). Аналогично с низкой частотой этот митотип зарегистрирован у европеоидов Азии: 1,9% у индийцев (Mountain et al., 1995), 6,8% у турок (Calafell et al., 1996). У евреев Израиля и арабов Саудовской Аравии митотип 1* не обнаружен (Di Rienzo, Wilson, 1991). Результаты идентификации типов ГВС1 контрольного региона мтДНК, обнаруженных у восточных славян, свидетельствуют о преимущественном соответствии их европеоидным типам мтДНК. Только один из митотипов (тип 22 с трансверсией С-А в позиции 16232 пн) является однозначно монголоидным. Эта мутация ранее была зарегистрирована в двух японских линиях мтДНК (Horai, Hayasaka, 1990).

Для оценки генетического разнообразия в исследованной выборке восточных славян было рассчитано среднее число нуклеотидных различий между всеми парами из 18 типов TBCI контрольного региона мтДНК (митотипы 1-17, 24) с полностью определенными нуклеотид-ными последовательностями. Поскольку в данном случае каждому индивидууму соответствует свой собственный митотип, то значения попарных нуклеотидных различий между типами мтДНК и индивидуумами идентичны и составляют в среднем 4,33 нуклеотида (1,2% дивергенции на нуклеотид для сегмента мтДНК длиной 360 пн). Так как некоторые из мутаций являются параллельными, т.е. идентичными в филогенетически неродственных типах мтДНК, то, очевидно, что значения попарных различий между нуклеотидными последовательностями по фактическому числу мутаций и по количеству мутационных событий различаются. Так, в соответствии с результатами филогенетического анализа (рис.) мутации (а и b) в позициях 16093, 16294, 16304, 16311 и 16327 пн являются параллельными и поэтому появление 23 полиморфных сайтов, определяющих разнообразие митотипов 1-17 и 24, обусловлено 28 мутационными событиями. С учетом параллельных мутаций значение попарных нуклеотидных различий между типами

мтДНК восточных славян составляет 4,61 нуклеотида (1,28% дивергенции). По этому показателю восточные славяне представляют собой типично европейскую группу. У населения Южной Европы показатель попарных различий составляет 4,22-4,55 нуклеотида, у населения Северо-Западной части Европы - от 3,29 до 4,89. Максимальные значения этого показателя (6,59-7,08) зафиксированы в настоящее время у населения Передней Азии.

Анализ распределения попарных нуклеотидных различий между типами контрольного региона мтДНК у восточных славян показал, что распределение имеет бимодальный характер без учета и с учетом параллельных мутаций с пиками в обоих случаях в 3 и 5 нуклеотидных различий. Этот факт представляется интересным, поскольку бимодальное распределение попарных различий характерно только для южноевропейских популяций (Болгарии, Италии, Испании) (Calafell et al., 1996), в то время как унимодальный тип распределения зафиксирован в популяциях Передней Азии и Северо-Западной Европы.

Исходя из значений попарных нуклеотидных различий возможно также определение степени дивергенции нуклеотидных последовательностей и времени дивергенции. В последнем случае, однако, существует неопределенность, поскольку время дивергенции связано со скоростью накопления мутаций в участке ДНК. В случае контрольного региона мтДНК человека предлагаются как минимум два различных значения скорости накопления мутаций. В первом случае, основанном на модели коалесценции (Lundstrom et al., 1992), мутационная скорость соответствует 1% дивергенции за 8950 лет. Во втором случае измерение скорости накопления нейтральных мутаций основано на времени дивергенции между человеком и шимпанзе и составляет примерно 1% дивергенции нуклеотидной последовательности за 30300 лет (Ward et al., 1991). Полученные для восточных славян значения дивергенции нуклеотидных последовательностей контрольного региона мтДНК (1,21,28%) предполагают, что эволюционный возраст митотипов составляет от 10740-11456 лет для первой скорости до 36360-38784 лет для второй.

Определены нуклеотидные последовательности сегмента гена цитохрома Ь, локализованного между позициями 14841 и 15149 пн мтДНК, в выборке (N=12) с известными типами ГВС1 контрольного региона мтДНК. Зарегистрированы три типа гена цитохрома Ь: митотип, соответствующий кембриджской последовательности (у пяти человек), митотип с мутацией G-A в позиции 14905 пн (у шести человек) и митотип с мутацией G-A в позиции 15043 пн (у одного человека). Обнаружено, что транзиция в позиции 14905 пн строго ассоциируется в типах мтДНК с сочетанием мутаций СТ в позициях 16126 и

16294 пн контрольного региона. По данным рсстрикционного анализа эти типы относятся к подгруппе А1 митогруппы А. Обнаруженная генетическая ассоциация, таким образом, включает семь мутаций и имеет вид: Ы05М3368(А), СУТВ* 14905(А), СУТВЧ 5607(0), ИША(Т11Г)*15928(А), СЯ*16126(С), СЯ*16294(Т), СЯ*16519(С).

Медиашсая сеть 24 восточнославянских типов контрольного региона мтДНК. Узловой тип I* соответствует типу контрольного региона кембриджской последовательности мтДНК (Anderson et. al., 1981).

3. РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЕВРОПЕОИДНЫХ МАРКЕРОВ СРЕДИ ВОСТОЧНЫХ СЛАВЯН

В разделе 3.5 рассматривается распространенность среди восточных славян (N=100) европеоидных маркеров мтДНК в сравнении с популяциями Европы и Передней Азии. У восточных славян зафиксировано высокое значение (17%) частоты митотипов подгруппы А1 (или ВатШ-Ъ/МзрМ). Для географического распределения этой митаруюты в популяциях Европы характерно уменьшение частоты митогруппы ВатШ-Ъ/Мзр1-А в направлении с юго-востока на северо-запад. С очень низкой частотой этот маркер зафиксирован у населения Передней Азии. Митотипы подгруппы А2 обнаружены только среди европеоидного населения Передней Азии и Европы и распространены в региональных группах довольно равномерно. Обращает на себя внимание более высокая частота митотипов А2 у населения Передней Азии в сравнении с населением Европы и отсутствие этих митотипов у индийцев. Восточные славяне по частоте митотипов А2 проявляют заметное сходство с населением Европы.

Генетическая структура восточных славян имеет некоторые особенности, отличающие славян от населения западной части Европы. Как и у населения Передней Азии, у восточных славян зафиксирован с низкой частотой широко распространенный среди европейцев митохонд-риальный маркер - тип контрольного региона, соответствующего кембриджской последовательности мтДНК. Подобно переднеазиатскому населению, восточные славяне включают в свой генофонд, хотя и с заметно меньшей частотой, митотипы подгруппы АЗ. Однако, в соответствии с распределением основных европеоидных маркеров мтДНК в популяциях Евразии, восточные славяне проявляют более выраженное сходство с народами Южной Европы. В первую очередь это относится к одинаково высокой распространенности среди них маркера ВатН1-Ъ/М$р1-4 (подгруппа А1) в сравнении с населением Передней Азии и Северо-Западной Европы и к одинаково низкой распространенности маркера ВатШ-2/А\'а11- 5(3) в сравнении с населением Северо-Западной Европы.

4. ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ГРАДИЕНТЫ ЧАСТОТ МАРКЕРОВ мтДНК В ЕВРОПЕОИДНЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ ЕВРАЗИИ

В разделе 3.6 исследуются особенности географического распределения среди населения Европы и Передней Азии трех групп типов мтДНК (ВатН1-\/Лм11-5(2), ВатН1-2/Ауа1ЩЪ), ВатНГ-2/Мзр1-4), для которых характерна межрегиональная гетерогенность значении частот (Р<0.001) (табл. 2). Для этого были использованы литературные данные

о ПДРФ мтДНК в 15 популяциях (суммарный размер выборки 2400 человек). Показано, что для митогруппы Ват HI-1 /AvaII-S(3) характерно увеличение частоты с юго-востока на северо-запад. В противоположную сторону направлен градиент частоты митогруппы ВатН1-7/Avail- 5(3). Максимальные частоты митогруппы ВатН1-Ъ/М$р1-4 зафиксированы у населения Южной Европы и у восточных славян. Однако, градиент уменьшающегося нуклеотидного разнообразия СТ-типов контрольного региона мтДНК, сопутствующих митогруппе Ват HI- 3/MspI-4, направлен с юго-востока на северо-запад. Максимальная дивергенция СТ-типов зафиксирована у населения Передней Азии (1,22%), минимальная - у населения Северо-Западной Европы (0,87%), а степень дивергенции СТ-типов у восточных славян (0,96%) несколько ниже таковой у населения Южной Европы (1,05%).

Таблица 2

Межрегиональная гетерогенность распределения четырех групп типов мтДНК у европеоидов Европы и Передней Азии

Регионы

Мнтогруппа-X2

П.Азия Ю.Европа В.Европа З.Европа С.Европа

(d.f.=4)

N=413 N=1164 N=100 N=225 N=110

1 0.0097 0.1108 0.1700 0.0356 0.0273 69.16"'

4 129 17 8 3

2 0.0S00 0.0258 0.0300 0.0133 0.0182 32.38"'

33 30 3 3 2

3 0.0218 0.0095 0.0200 0.0756 0.0455 35.03"'

9 11 2 17 5

4 0.SSS5 0.8539 0.7800 0.8755 0.9091 1.54

367 994 78 197 100

Примечание. В колонках чисел над чертой приводятся средневзвешенные частоты митогрупп, под чертой - количество индивидуумов с определенной митогруппой. Обозначения митогрупп: 1 - ВатН1-Ъ/М$р1-4, 2 - ВатН1-\/ А\:а11-5(3), 3 - ВатН1-2/А\'а11-5(3) и 4 - митогрупгга, включающая остальные типы мтДНК. "" -РС0.001.

Межрегиональные различия населения Европы подтверждаются также сходным с митогруппой ВатН1-3/Мзр1-4 распределением частот европеоидного маркера аллеля рс кислой фосфатазы эритроцитов, географическое распределение которого изучалось ранее (Спицын, 1977).

Согласно результатам настоящей работы, юго-восточная часть Европы является центром радиации, откуда частоты аллеля рс и митогруппы ВатШ-Ъ/Мзр1А достаточно синхронно понижаются в западном и северном направлениях в Европе и южном-юго-восточном - в Азии.

По распределению трех групп типов мтДНК межрегиональные генетические различия достоверно не выявляются только в двух случаях (табл. 3): между населением Южной Европы и славянами Восточной Европы (Х2=4.44, си.=3) и населением Западной и Северной Европы (Х2=1.38, с!.Г.=3). В целом результаты анализа географического распределения типов мтДНК в европейских популяциях свидетельствуют о существовании генетических различий между населением юго-восточной и северо-западной частей Европы.

Таблица 3

Оценка генетических различий между региональными группами населения Евразии

Регион П.Азия Ю.Европа В.Европа З.Европа С.Европа

П.Азия 88.77*"* 36.78"*" 30.65*"* 10.63*"

Ю.Европа 0.9646 3.91 41.18"* 17.37***

(0.0077) 15.17~

В.Европа 0.9429 0.9947 22.48***

(0.0186) (0.0054)

З.Европа 0.9737 0.9727 0.9631 1.36

(0.0094) (0.0085) (0.0162)

С.Европа 0.9847 0.9784 0.9638 0.9977

(0.0094) (0.0116) (0.0184) (0.0039)

Примечание. Над диагональю приводятся значения критерия идентичности /, под диагональю - значения меры сходства г (и ее стандартная ошибка) (Животовский, 1983).*" - Р<0.001, ** - Р<0.01.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенной в данной работе идентификации типов мтДНК, обнаруженных в выборке восточных славян, свидетельствуют о преимущественном соответствии их европеоидным митотипам. Высокая распространенность среди восточных славян характерна для митотипов, свойственных современному населению Южной Европы. Типы мтДНК, характерные для населения Северо-Западной Европы, зафиксированы у восточных славян также на уровне наблюдаемых у населения Южной Европы. Эти факты могут свидетельствовать в пользу

представления о южноевропейском происхождении основного генетического компонента восточных славян.

Применимость концепции молекулярных часов для установления возраста типов мтДНК ограничивается неопределенностью такого параметра, как скорость накопления мутаций в ДНК. В случае мтДНК, для контрольного региона которой предполагается скорость, соответствующая 1% дивергенции за 8950-30300 лет (Ward et al., 1991; Lundstrom et al., 1992), представляется возможность изучать генетические процессы в популяциях эпох верхнего палеолита-раннего неолита, т.е. во времени, предшествующем формированию этнических групп. Полученные для восточных славян значения дивергенции нуклеотидных последовательностей контрольного региона мтДНК (1,2-1,28%) соответствуют, учитывая неопределенность скорости эволюции контрольного региона мтДНК, эволюционному возрасту митотипов от 10740 до 38784 лет. Не менее древней является и основная митогруппа, зафиксированная у восточных славян и широко распространенная у народов Южной Европы: BamHI-Ъ/Mspl-A. Нуклеотидное разнообразие СТ-типов контрольного региона, ассоциированных с ней, также соответствует возрасту от 10 до более чем 30 тысяч лет. Таким образом, по структуре типов мтДНК восточные славяне проявляют более выраженное генетическое сходство с популяциями Южной Европы, а эволюционный возраст митотипов предполагает, что истоки сохраняющегося во времени генетического сходства между популяциями надо искать в периодах ранней истории формирования населения Европы в верхнем палеолите и раннем неолите.

Отмеченные выше особенности географического распределения маркеров мтДНК у современного населения Европы, по-видимому, в основном связаны с периодом неолитических миграций переднеа-зиатских европеоидов, продвижение которых в процессе освоения европейских территорий сопровождалось смешением с древнейшим населением Европы. Иначе сложно объяснить существование генетических различий между населением юго-восточной и северо-западной частей Европы. Эти различия проявляются не только по распространенности маркеров мтДНК. Наблюдающийся бимодальный характер распределения попарных нуклеотидных различий между типами мтДНК в популяциях юго-восточной части Европы также указывает на то, что степень демической диффузии могла бьпъ выше именно в этом регионе в сравнении с Северо-Западной Европой. Бимодальный характер попарных нуклеотидных различий может свидетельствовать, с одной стороны, о двух периодах экспоненциального роста численности популяций, по-видимому, в верхнем палеолите и мезолите-раннем

неолите (Bertranpetit et al., 1995). С другой стороны, бимодальное распределение попарных различий, может означать существование генетической подразделенное™ популяций, сформированных на основе двух различающихся генетически предковых популяций (Marjoram, Donelly, 1994). Это объяснение представляется более подходящим в случае южноевропейских популяций и восточных славян.

Межрегиональные различия населения Европы подтверждаются также сходным с митогруппой Ват HI- 3/Msp\-A распределением частот европеоидного маркера аллеля рс кислой фосфатазы эритроцитов. Существующие генетические различия, вероятно, связаны с более интенсивным генетическим взаимодействием между населением юго-восточной части Европы и выходцами из Передней Азии в эпоху неолита в процессе распространения ими агрокультуры. Учитывая особенности наследования мтДНК, полученная информация имеет прямое отношение только к женской половине народонаселения. Это означает, что существующие до сих пор межрегиональные генетические различия у населения Европы обусловлены, главным образом, особенностями продвижения женского компонента неолитических миграций. Таким образом, можно предположить, что в процессе медленного продвижения аграриев из Передней Азии в неолите их популяциями были заселены преимущественно южные и восточные территории Европы. Выявленное генетическое сходство между восточными славянами и населением Южной Европы связано с наличием общих генетических компонентов в митохондриальных генофондах. В случае современных восточных славян, по всей видимости, эти компоненты соответствуют генофонду праславян, если исходить из гипотезы о центральноевропейской прародине славян (Niederle, 1896). Учитывая высокий эволюционный возраст маркеров мтДНК, появление их в генофонде праславян обусловлено родством с южноевропейскими популяциями эпохи неолита. Однако, в настоящее время трудно судить о времени, когда собственно праславянская ветвь дифференцировалась от южноевропейской. Митохондриальный генофонд славян только лишь включает древние европеоидные маркеры, появление которых в Европе предположительно связано с неолитическими миграциями европеоидов из Передней Азии. Судя по тому, что у восточных славян обнаруживается целый спектр вариантов мтДНК, характерных для южноевропейского населения, то формирование славянской ветви может быть связано с более поздними миграциями европейцев из Западного Средиземноморья в область предполагаемой прародины славян в Центральной Европе и генетическим взаимодействием мигрантов с древнейшим населением этих территорий, генетический статус которого пока не прослеживается.

выводы

1. Рсстрикционныс типы мтДНК восточных славян дифференцируются на пять митогрулп, представленных преимущественно европеоидными типами ДНК. Монголоидная примесь в митохонд-риальном генофонде восточных славян незначительна. Порядка 20% выявленных митотипов, включая редкие варианты А\аП-6, АуаН-13, Ауа1Г-20Шу, характерны только для населения Южной Европы.

2. Для восточных славян характерен высокий уровень изменчивости нуклеотидных последовательностей гипервариабельного сегмента 1 контрольного региона мтДНК. Примерный эволюционный возраст митотипов, рассчитанный по степени дивергенции нуклеотидных последовательностей контрольного региона (1.2-1.28%), составляет 1040 тысяч лет.

3. При низком уровне изменчивости гена цитохрома Ь в типах мтДНК восточных славян обнаружена строгая ассоциация между мутациями в гене цитохрома Ь (в-А в позиции 14905 пн) и контрольном регионе (сочетание нуклеотидов СТ в позициях, соответственно, 16126 и 16294 пн). По данным комплексного анализа эта ассоциация определяется семью мутациями в кодирующих и некодирующих участках митохондриального генома и имеет вид: К05*13368(А), СУТВ*14905(А), СУТВ* 15607(0), тЫА(ТИг)*15928(А), СЯМ6126(С), СЯ*16294(Т), СЛ*16519(С).

4. Для трех групп типов мтДНК (ВатШ-1/АуаП-5(3), ВатН1-2/ Ауа11-5(3) и ВатЯ/-3/Л/лр/-4) выявлены градиенты частот, на основании которых население Европы дифференцируется на юго-восточную и северо-западную части, что может являться отражением характера неолитических миграций европеоидов из Передней Азии в Европу. Предполагается, что обнаруженные различия свидетельствуют о более выраженном вкладе демической диффузии на юго-востоке Европы, нежели чем на северо-западе.

5. Показано сходство между географическим распределением в популяциях Евразии генетических маркеров европеоидной расы: митохондриального маркера ВатН1-2>/М.чр1-4 и биохимического маркера аллеля АсР1*С кислой фосфатазы эритроцитов.

6. Высокое генетическое сходство между восточными славянами и современным населением Южной Европы может свидетельствовать в пользу представлений о южноевропейском происхождении основного генетического компонента восточных славян.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Малярчук Б.А., Балмышева Н.П., Дсренко М.В., Лапинский А.Г., Соловенчук JI.JI. ЕсоЯК-полиморфизм митохондриальной ДНК человека // Генетика. 1994. Т. 30. N. 1. С. 22-24.

2. Магярчук Б.А., Лапинский А.Г., Багмышева Н.П., Буторина О.Т., Соловенчук Л.Л. ПДРФ митохондриальной ДНК у жителей г. Магадана // Генетика. 1994. Т. 30. N. 1. С. 112- 114.

3. Малярчук Б.А., Деренко М.В., Балмышева Н.П., Лапинский А.Г., Соловенчук Л.Л. Рестрикционный полиморфизм главной некодирующей области митохондриальной ДНК у коренного и пришлого населения СевероВосточной Азии // Генетика. 1994. Т. 30. N. 4. С. 542-545.

4. Магярчук Б.А., Деренко М.В., Соловенчук Л.Л. Рестрикционныс типы главной некодирующей области митохондриальной ДНК у коренного и пришлого населения Северо- Восточной Азии // Генетика. 1994. Т. 30. N. 6. С. 851-857.

5. Магярчук Б.А. Типы гипервариабельного сегмента I митохондриальной ДНК у восточных славян // Тез. 1(3)-го Российского съезда мед. генетиков. М., 1994. Кн. 1. С. 35.

6. Малярчук Б.А. О филогенетическом положении восточных славян среди европеоидных популяций мира // Международное сотрудничество и образование молодежи на Севере. Материалы 1-й Междунар. науч.-практ. конф. Магадан: МПУ, 1995. С. 170-171.

7. Магярчук Б.А., Деренко М.В., Соловенчук Л.Л. Типы контрольного решона митохондриальной ДНК у восточных славян // Генетика. 1995. Т. 31. N. 6. С. 846-851.

8. Магярчук Б.А. Ассоциация нуклеотвдных замен в гене цитохрома b и контрольном регионе в типах митохондриальной ДНК человека // Генетика.

1995. Т. 31. N. 7. С. 988-990.

9. Магярчук Б.А. Маркеры митохондриальной ДНК и проблема происхождения народов индо-европейской языковой семьи // Генетика 1995. Т. 31. N. 7. С. 991-994.

10. Магярчук Б.А., Деренко М.В. Полиморфизм региона V митохондриальной ДНК коренного и пришлого населения Северо- Восточной Азии // Генетика. 1995. Т. 31. N. 9. С. 1308-1313.

11. Деренко М.В., Малярчук Б.А. Сравнительный анализ ПДРФ митохондриальной ДНК в популяциях восточных славян России // Генетика

1996. Т. 32. N. 6. С. 815-821.