Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изменчивость митохондриальной ДНК и Y-хромосомы в популяциях Волго-Уральского региона

ВАК РФ 03.02.07, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Изменчивость митохондриальной ДНК и Y-хромосомы в популяциях Волго-Уральского региона"

На правах рукописи

ТРОФИМОВА НАТАЛЬЯ ВАДИМОВНА

ИЗМЕНЧИВОСТЬ МИТОХОНДРИАЛЬНОИ ДНК И У-ХРОМОСОМЫ В ПОПУЛЯЦИЯХ ВОЛГО-УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА

03.02.07 - генетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

3 ПАР 2015

005559939

Уфа-2015

005559939

Работа выполнена в лаборатории молекулярной генетики человека Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института биохимии и генетики Уфимского научного центра Российской академии наук (ИБГ УНЦ РАН)

Научный руководитель: Хуснутдинова Эльза Камилевна

д.б.н., проф., зав. Отделом геномики ФГБУН ИБГ УНЦ РАН

Официальные оппоненты: Жукова Ольга Владимировна

д.б.н., доцент, зав. лабораторией генетики человека ФГБУН ИОГен им. Н. И. Вавилова РАН, Москва

Спицын Виктор Алексеевич

д.б.н., проф., зав. лаб. экологической генеттой ФГБУ «Медико-генетический научный центр» Российской академии медицинских наук, Москва.

Ведущая организация: ФГБУ «Научно-исследовательский институт

медицинской генетики» Сибирского отделения Российской академии медицинских наук, г. Томск. "

Защита диссертации состоится « 4» Оиц|^-А-А2015г. в » часов на заседании диссертационного совета Д 002.133.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН по адресу: 450054, Уфа, пр. Октября, 71. ИБГ УНЦ РАН

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке Уфимского научного центра РАН по адресу: Уфа, пр. Октября, 71; с электронной версией автореферата - на сайтах ВАК РФ и ИБГ УНЦ РАН: ibg.anrb.ru

e-mail: molgen@anrb.ru.

Автореферат разослан » rpj?2015 г.

Ученый секретарь _ ^р

диссертационного совета С.М. Бикбулатова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Волго-Уральский регион (ВУР) является местом, где происходило взаимодействие различных народов, различающихся по этническим, лингвистическим л религиозным признакам. Этому способствовало особое географическое положение региона - на стыке двух континентов, Европы и Азии, разделенных природным барьером, Уральскими горами. Происхождение и характер взаимодействия народов, проживающих в регионе в то или иное время, всегда вызывали особый интерес историков, а в последнее время и генетиков. Имея на руках эффективные инструменты генетического исследования, такие как данные об изменчивости аутосомных локусов ДНК, а также об однородительских маркерах (митохондриальной ДНК (мтДНК) и нерекомбинирующей области У-хромосомы), популяционные генетики сделали значительный шаг вперед в отношении изучения генетической структуры и истории популяций.

На сегодняшний день существует достаточно большое количество работ, связанных с изучением генетической структуры популяций Волго-Уральского региона. Большая часть из них посвящепа анализу биохимических, иммунологических и физиологических маркеров, а также ряда ДНК-локусов аутосомных генов (Шнейдер и др., 1989, 1990; Спицын и др., 1990, 1995, 2009; Сшшына и др., 1990; Рафиков и др., 1993; Ельчннова и др., 1995; Кравчук и др., 1996, 1998; Хусиутдинова и др., 1999, 2003; Рычков и др., 2000; Викторова и др., 2002). Следует отметить, что изучение отдельных аутосомных локусов ДНК имеет явный недостаток, обусловленный тем, что эволюционные изменения прослеживаются главным образом по вариабельности частот различных аллелей в популяциях и не дают представления о последовательности возникновения носителей различных гаплотнпов в эволюционном ряду.

Маркеры мтДНК и У-хромосомы, в свою очередь, позволяют проследить генетическую историю народов от этапов становления до настоящего времени. Ранее был проведен ряд работ, посвященных изучению митохондриального генофонда популяций Волго-Уральского региона (РтпПа е1 а1„ 2001; Бермишева и др., 2002; Викторова и др., 2002; Орехов и др., 2002; 1п£тап е! а!., 2006; Хуснутдинова и др., 2007; Лобов и др., 2009; Ма1уагсЬик е1 а1., 2010; Денисова и др., 2011; Степанов и др., 2011, Трошева и др., 2013, 2014). Однако все эти исследования либо были проведены в отдельных популяциях, либо ограничивались изучением нуклеотидной последовательности ГВС1 мтДНК с определением только основных гаплогрупп. Мы полагаем, что генетическую структуру популяций Волго-Уральского региона необходимо рассмотреть более

детально, с максимально возможным разрешением и с использованием метода полногеномного секвенирования мтДНК. Это позволит выявить генетические процессы, точнее отражающие этническую историю народов Волго-Уральского региона по женской линии.

В проведенных ранее исследованиях популяций Волго-Уральского региона проанализированы отдельные диаллельные локусы нерекомбинирующей области Y-хромосомы, такие как YAP (DYS287), Tat (RBF5) и LLY22 (Бермишева и др., 2001; Лимборская и др., 2002). Более детальный анализ был проведен в субпопуляциях башкир, где были генотипированы 10 микросателлитных и 24 диаллельных локуса Y-хромосомы (Лобов, 2009). Также известны работы, в которых образцы отдельных популяций были задействованы в рамках изучения крупных монофилитических линий (Rootsi et al., 2007, Underbill et al., 2010, Myres et al., 2011, Rootsi et al., 2012). Однако целостного исследования разнообразия Y-хромосомы в популяциях Волго-Уральского региона, как такового, не проводилось.

В связи с вышеизложенным целью исследования является изучение генетической структуры и взаимоотношений популяций Волго-Уральского региона по данным изменчивости мтДНК и Y-хромосомы.

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:

1. Провести филогеографический анализ гаплогрупп мтДНК в популяциях Волго-Уральского региона.

2. Провести полное секвенирование митохондриального генома для образцов, принадлежащих к гаплогруппам Н, А, А10, N9a3, Zla.

3. Провести филогеографический анализ гаплогрупп Y-хромосомы в популяциях Волго-Уральского региона.

4. Оценить генетическое разнообразие и степень генетической дифференциации в популяциях Волго-Уральского региона по данным о полиморфизме мтДНК и Y-хромосомы.

5. Охарактеризовать генетические взаимоотношения между популяциями Волго-Уральского региона.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование структуры восьми популяций Волго-Уральского региона (марийцы, мордва, коми, удмурты, бесермяне, чуваши, татары (из двух субпопуляций казанских татар и татар из Туймазинского района Республики Башкортостан (РБ)), башкиры (из трех субпопуляций: из Бурзянского и Архангельского районов РБ, а также из Пермского края) на основе двух молекулярно-генетических систем - мтДНК и Y-хромосомы с высокой степенью филогенетического разрешения. Впервые на

основании данных об изменчивости полных митохондриальных геномов выявлены новые, характерные для Волго-Уральского региона, линии мтДНК (Н. Н55, Н99, А10, A, N9a3, Zlal), оценен их возраст. Изучена детальная фнлогеография линий Y-хромосомы. Впервые в отдельных популяциях региона нами обнаружены такие гаплогруппы, как Rla-Z2125, Rlb-Z2105, Rlb-M405. Показано, что наибольшее генетическое разнообразие в регионе наблюдается в субпопуляциях казанских и туймазннских татар как по данным мтДНК, так и Y-хромосомы, в то время как наименьшее - в популяции марийцев (по данным мтДНК) и удмуртов (по данным Y-хромосомы). Полученные данные о популяциях Волго-Уральского региона позволили определить генетическую структуру изученных народов и существенно дополнить имеющуюся картину генетических взаимоотношений данных этносов между собой.

Научно-практическая значимость. Результаты исследования могут быть информативны для специалистов смежных отраслей знания: историков, этнографов, археологов, антропологов и лингвистов, занимающихся изучением народов Волго-Уральского региона. Также полученные нами данные могут быть использованы в научно-образовательном процессе, при разработке курсов для студентов биологических, исторических и медицинских специальностей. Кроме того, данные диссертационной работы могут служить основой для последующих исследований в области популяцнонной генетики, археологии и этнографии.

Апробация работы. Результаты исследования были представлены на Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Актуальные проблемы генетики человека, животных растений и микроорганизмов» (Уфа, 2012); Annual Conference of UT IMCB, UT EGC and EBC (Tartu, 2012); 8th ISABS Conference (Split, 2013); международной конференции European Human Genetics Conference (Paris, 2013; Milan, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 2 - статьи в журналах из Перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 192 страницах машинописного текста. Состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, изложения результатов и их обсуждения, заключения, выводов и списка литературы из 327 источников, в том числе 84 отечественных и 243 зарубежных. Иллюстративный материал содержит 29 рисунков и 10 таблиц.

Благодарности. Автор выражает огромную признательность научному руководителю профессору Хуснутдиновой Эльзе Камилевне и к.б.н. Литвинову Сергею Сергеевичу за помощь в проведении исследований, обсуждении и

интерпретации полученных результатов, а также Хусанновой Рите Игоревне, Ахметовой Вите Леоновне, Хидиятовой Ирине Михайловне и Юнусбаеву Баяз1ггу Булатовичу, принимавшим участие в экспедициях, и всем сотрудникам лаборатории молекулярной генетики человека ИБГ УНЦ РАН. Автор благодарен директору Эстонского биоцентра профессору Рихарду Виллемсу и его сотрудникам Елене Кушнеревич, Эне Метспалу, Кристиине Тамбетс, Сиири Роотси, Маирэ Рэдла и Эрике Тамм за неоценимую помощь в постановке экспериментов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Материалы и методы. Материалом для исследования служили образцы ДНК, выделенные из цельной крови неродственных индивидов из популяций Волго-Уральского региона. Размеры выборок и места сбора образцов крови указаны в таблице 1.

Таблица 1 - Места сбора образцов крови и размеры выборок, включенных в исследование

МтДНК У-хромосома

Удмурты (г. Ижевск, населенные пункты Якшур-Бодьинского района, Удмуртия) 88 52

Бесермяне (с. Юкаменское, с. Ежево, д. Шемордан, Удмуртия) 98 53

Коми (г. Сыктывкар) 55 50

Марийцы (Мишкинский район РБ) 58 44

Мордва (г. Саранск) 65 59

Чуваши (г. Чебоксары) 69 43

Башкиры (Бурзянский район РБ) 57 58

Башкиры (Архангельский район РБ) 44 -

Башкиры (Пермский край) 48 -

Казанские татары (из различных районов Татарстана) 56 53

Татары (Туймазинскнй район РБ) 50 50

Всего 688 462

Геномную ДНК выделяли из лейкоцитов периферической крови методом фенольно-хлороформной экстракции (МаШелу, 1984). Этническая принадлежность, происхождение и родственные отношения уточнялись путем анкетирования, учитывая данные до третьего поколения. Все добровольцы дали информированное

согласие на участие в исследовании. Определение нуклеотидных последовательностей мтДНК осуществлялось на автоматическом секвенаторе Applied Biosystems (ABI) 3730XL DNA Analyzer. Последовательности были выровнены и проанализированы с помощью программы Sequencer 5.1 (GeneCode Corp). Определение гаплогрупп и гаплотипов мтДНК проводилось путем совместного анализа статуса диагностических позиций в кодирующем регионе мтДНК и мотивов ГВС1 (van Oven et al., 2009). В качестве эталонной последовательности использовали Реконструированную референтную последовательность человека (RSRS) (Behar et al., 2012). Время коалесценции (р) и доверительный интервал вычисляли согласно Соаресу с соавт. (Soares et al., 2009). Полногеномное секвенирование проводили по методике, описанной в статье Рндер с соавт. (Rieder et al., 1998). Для определения гаплогрупп Y-хромосомы было использовано 60 маркеров нерекомбинирукмцей области Y-хромосомы: М9, М89, YAP (Ml), М174, М40, М35, М78, M130, 12f2, M267, M410, M67, M172, M12, M201, M285, P16, P303, Ul, M485, M286 , M527, Page07, M170, M253, M438, P37, M223, M52, M231, Tat, (M46), P43, M70, 92R7, M207, Ml73, M124, M306, SRY1532, M17, M198, Z282, M458, M558, Z93, Z95, Z2125, M343, M73, M269, M412, M405, L23, Z2105, M168, M436, M175, M20, M242, M346. Исследование полиморфизма 60 диаллельных локусов Y-хромосомы производилось с использованием ПЦР и последующего ПДРФ анализа. (Casanova et al., 1985; Mathias et al., 1994; Hammer et al., 1995; Whitfield et al., 1995; Zeijal et al., 1997; Raitio et al., 2001; Underhill et al., 2001, 2014; Cruciani et al., 2002; Karafet et al., 2002, 2008; Cinnioglu et al., 2004; Regueiro et al., 2006). Для обозначения гаплогрупп Y-хромосомы использовалась номенклатура, предложенная Международным консорциумом по Y-хромосоме (YCC, 2002) с последующими исправлениями и дополнениями (Jobling et al., 2003; Karafet et al., 2008; Underhill et al., 2009, 2014; van Oven et.al. 2014).

Частоты гаплогрупп мтДНК и Y-хромосомы рассчитывались методом прямого расчета. Факторный анализ проводился с применением метода главных компонент, для чего использовалась программа PopSTR (Ь«р://Ьафепй^.Ьитапеуо.иЫ1^и/рор50У). Для расчета использовали данные о распределении частот гаплогрупп мтДНК, Y-хромосомы в популяциях Волго-Уральского региона.

Показатель генетического разнообразия (II) (Nei, 1987), анализ молекулярной дисперсии (AMOVA), а также индексы тестов на нейтральность Таджимы (D) и Фу (Fs) рассчитывали в пакете программ ARLEQUIN, Ver 3.5 (Schneider et al., 2000; Excofïicr et al., 2010). Оценка степени генетической дифференциации между популяциями проводилась с помощью матрицы попарных дистанций Слаткина (Fst) (Slatkin, 1995). Значимость Fst оценивали, используя 10000 перестановок. Работа

частично выполнена на оборудовании ЦКП "Биомика" (Отделение биохимических методов исследоватш и нанобиотехнологии РЦКП "Агидель") и УНУ "КОДИНК".

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Разнообразие мтДНК в популяциях Волго-Уральского репюна

В популяциях Волго-Уральского региона было выявлено 73 гаплогруппы мтДНК (табл. 2). Из них подавляющее большинство (82,7%) представлено западноевразийскими гаплогруппами (HV, H, V, J, Т, U, RI, Nia, Nib, Nie, W, X). Восточноевразийский компонент представлен 12 гаплогруппами (А, В, С, D, F, G, Y, Z, МЗа, R9, N11 и N9a). Наибольший вклад в митохондриальный генофонд региона вносят линии гаплогрупп H (24,98%), U (20,7%) и Т (11,5%), в сумме они составляют около половины всех гаплогрупп мтДНК в Волго-Уральском регионе. Также в ходе исследования нами было выявлено, что наибольшим генетическим разнообразием (Я) в Волго-Уральском регионе характеризуется популяция татар, а именно субпопуляции казанских (0,9929 ± 0,0055) и туймазинских татар (0,9910 ± 0,0068), в то время как наименьшим - популяция марийцев (0,9286 ± 0,0160).

Таблица 2 - Частоты (%) гаплогрупп мтДНК в различных популяциях

Волго-Уральского региона

0 1 Ä u S _ о л Л О. « ё и Я - 3 3 u s g 3

3 s« i й з О. я Ю « S 1 = g rt Я X vo o. < 3 C3 sa >, s- Коми JS E. Г5 S 4 c_ о о 5 и 3 s ы S а. S g 2 ё «= н H & s ч S» S о. о о о u II С Ю

N 57 44 69 55 58 65 56 50 88 98 48

А10 1,8 5.8 3,5 1,8

А* 5,3 1,8 2,0 4,6 4,0 2,1

В4 2.3 1.8 2,0

В5 3,5 2,3 2,0

С* 1,8

С4 15,8 13.6 2,0 5,7 4,2

D4 3.5 4,6 1.5 1,8 5,4 8,0 9,1 2,0 14.6

F 1,8

Fla 1,8 2.0

Fib 1,8 22,9

G2a 3.5 1.5 1,8 4,0 4,2

G3 4.6

H* 1,8 4.6 1.8 4,6 10,1 2.1

Hl 7,0 2,3 4,4 5,5 6,9 12,3 5,4 10,0 5,7 9,1 4,2

Таблица 2 (Продолжите)

Н2 2,9 9,1 5,2 9,2 3,6 2,0 9,1 4,0

НЗ 1,8 4.2

Н4 2,3 1.5

Н5 2,3 5,8 10,9 4,6 3,6 4,0 1,1

Н6 2,3 5,8 5,2 6,2 1,8 1,0

Н7 4,4 5,2 10.8

Н9 1,5 2,0

НИ 2,3 7,3 1,5 1,8 2,0

Н13 1,8 2,0 1,1

Н14 1,0

Н28 2,0

Н55 6,8 2,9 8,6

Н99 4,6

HV0 2,9 1,8

HV1 2,0

HV2 2,9

HV9 2,3 1,8 1,8 2,0

IIa 4,4 4,6 1,8

Ис 1,8

13 6,8

J1 1,8 2,0

Jib 2,3 2,0 2,0

Jlc 3,5 4,6 4,4 1,8 3,5 3,1 10,7 4,0 1,1 6,1 4,2

J2a 2,0

J2b 5,2 6,2

Kl 3,5 4,4 1,8 1,7 5,4 2,0

К2а 1,8 1,5 1,8 1,7 1,5

МЗ 1,8

Nial 5,3 9,1 1,8 1,5 1,8 1,0

Nib 3,6

Nla3 3,1 2,0

N9a3 1,8

N11 3,0

Rial 8,1 2,1

R2 1,8 2,3

R9 1,8

Tla 10,5 2,3 2,9 1,8 3,5 1,5 3,6 8.0 9,1 15,2 4,2

T2 3,5 1,8 3,1 1,8 2,0 5,7

T2a 7,3 1.8 1,1 2,0

T2b 3,5 1.5 7,3 1.7 4.6 1.8 2,0 6,8 2,0 4,2

T2e 1.5

Ula 3,5 2,3

Ulb 1,8 1,1

U2e 1,8 3,1 1,8 2,3 1,0

Таблица 2 (Продолжение)

из 1,8

и4 1.8 9,1 11.6 7.3 24.1 1,8 10.0 3,4 8,3

и5а 3.5 2.3 11,6 1.8 17,2 7.7 5.4 4,0 5,7 14.1 8.3

ШЬ 3,5 6,8 2,9 14,6 1,5 3.6 2.0 1.1 1.0

Ш 2,1

и8а 1,5 1,5 1,8 4,0

V 4,6 1,5 2,0

VI 1,7

VI 1,5 1,8 2,0

У13 7,3 5,2 3,6 2,1

XVI 1,5 1,8 2,0

\¥3 1.8 1,5 1.8 6,8 5,1 2,1

\У6 2.0

Х2 1,8

У1 2,3 1,5 3,6 4,2

1.5 5,5 8,0 3,0

Филогения линий мтДНК гаплогруппы Н

Гаплогруппа Н является доминирующей в изученном нами регионе и присутствует во всех исследованных популяциях. Наибольшая частота гаплогруппы Н была обнаружена в популяции мордвы (51%), с более низкими частотами она встречается также в популяциях коми (35%), марийцев (31%), чувашей (27,7%), удмуртов (26%), бесермян (25%), туймазинскнх татар (24%) и казанских татар 22%. Меньшую встречаемость относительно других популяций региона линии гаплогруппы Н демонстрируют в субпопуляциях архангельских (18,3%), пермских (11%) и бурзянских башкир (7%) (табл. 2). Для уточнения филогении линий Н в этих популяциях нами было просеквенировано 33 митохондриальных генома, принадлежащих к парагруппе Н*. Следует пояснить, что образцами с парагруппой Н* мы считали образцы, не относящиеся к линиям Н1-Н14, для которых мы отдельно проверяли определяющие позиции в кодирующем регионе. Нами было показано, что в пяти образцах (5,1%) из популяции бесермян отсутствуют какие-либо замены, помимо тех, которые определяют принадлежность к гаплогруппе Н. Мы полагаем, что это может быть следствием нескольких обратных мутаций, которые на данном этапе невозможно обнаружить. Такую высокую частоту образцов, принадлежащих к корневой гаплогруппе Н, также можно объяснить эффектом «бутылочного горлышка».

Гаплогруппа Н55 в Волго-Уральском регионе была нами выявлена в трех популяциях: марийцев (8,6%), архангельских башкир (6,8%) и чувашей (2,9%). Ранее гаплогруппа Н55 была обнаружена в единичных случаях в популяциях Греции, Ирландии, Италии, России и Дании (Behar et al., 2012b). В рамках настоящего исследования мы определили полные нуклеотидные последовательности десяти митохондриальных геномов из изучаемых популяций. При построении филогенетического дерева гаплогруппы Н55 мы столкнулись с рядом проблем: во-первых, с большим количеством обратных мутаций и, во-вторых, с мутациями, возникающими параллельно в разных ветвях филогенетического дерева. Возможно, при обнаружении новых образцов, принадлежащих к гаплогруппе Н55, общая филогения будет пересмотрена, но уже сейчас ясно, что в Волго-Уральском регионе эта гаплогруппа представлена одной линией, характеризующейся заменой С9449Т, которую несут все образцы. Наличие общей гаплогруппы мтДНК может указывать на межэтнические контакты в регионе в силу географической близости проживающих в нем популяций. При исследовании линий парагруппы Н* нами была обнаружена новая линия - Н99 (под таким названием ей зарезервировано место в наиболее подробном на сегодняшний день филогенетическом древе мтДНК) (van Oven et al., 2009), не описанная в популяциях мира и определяемая заменой С5898Т. Ранее эта мутация не была обнаружена ни в одной из ветвей филогенетического дерева мтДНК человека и является уникальной. К гаплогруппе Н99 относятся 13 образцов из популяции удмуртов (рис. 1).

В рамках нашего исследования гаплогруппа Н99 была обнаружена только в популяции удмуртов с частотой 4,6%. Для того, чтобы проследить филогеографию данной гаплогруппы, нами был проведен скрининг мутации С5898Т в 16 популяциях ВУР, а также у русских, эстонцев, армян и иранских азербайджанцев. Всего было генотнпировано 3202 образца (табл. 3), однако образцы с искомой мутацией не были обнаружены ни в одной популяции, кроме удмуртов. Это свидетельствует в пользу дивергенции гаплогруппы Н99 от корня гаплогруппы Н на территории Волго-Уральского региона. Однако вопрос о том, можно ли говорить о прямой связи гаплогруппы Н99 с популяцией удмуртов, остается открытым, поскольку средний возраст этой гаплогруппы составляет около 4000 лет при расчете по Соарес с соавт. (Soares et al., 2009) (рис. 1), а первое достоверное упоминание об удмуртах, как об этносе, появилось только в XV в. (Белых, 2006).

С2706А Т7028С

I

Бесермянин4 Весермянин 76 Ьрсврмянин 13 Бесермянин 51

Т3337С

С4709Т

-СЕЗ-

Г*

Т742С А12217С С13145А С14932Т

ла7оэи1 Веиаг2012 Мтаппя

00902958 рагЫуТгееОПА

С3631А А6503Э Т7861У О12501А Т13899У С14884Т С152Т1 С16189Т1

Е1!597523

НагТтппп 2008

13927 (8672; 19332)

А1530

^702905 Ве1гаг2012 Россия

Т16189С1 _I_

Бесермянин 60

Бесермянин 9

9350(4738; 14088| А1603С С204Т |

Вепаг2012 Прппндип

.10704460

Ве1тат2012

Греция

6543 (0;13630)

Т1618ЭСП С9449Т

Арх башкир 17

Мариец 40

Мариец 41

Арх башкир 55 Мариец 293

.'0705800 Вепаг2012 Дания

1

^Арх башкир 5] | Мариец 99

Мариец 243

Чуваш 59

Мариец 41

3997 (40;8037|

С5898Т

Бесермянин 73

Удмурт 17

Удмурт 39

Удмурт 49

Удмурт (г. б ) 22

Удмурт (г.б.) 21 Удмурт (г 6.) 71

Удмурт (г.б ) 941

Удмурт (г.б ) 1337

010203А _|_

Удмурт (г.б ) 1341

Удмурт (г б ) 69

Удмурт (г б | 1168

Удмурт (г б | 1330

I

С15295Т

| Удмурт 27

Рисунок 1. Фрагмент филогенетического дерева гаплогруппы Н мтДНК. Зеленым цветом выделены образцы, полные последовательности которых были получены в этом исследовании. Синим цветом - опубликованные данные; г.б. - образцы из генных банков.

По всей видимости, эта гаплогруппа присутствовала ранее в финно-угорских племенах, но до наших дней сохранилась с достаточной частотой только в популяции удмуртов.

Таблица 3 - Популяции, в которых проведен скрининг мутации С5898Т

Популяция N С5898Т

Архангельские башкиры 44 0

Бесермяне 98 0

Чуваши** 126 0

Эстонцы* 410 0

Коми** 297 0

Марийцы** 234 0

Мордва** 262 0

Русские (Пинега)* 134 0

Русские (Екатеринбург)** 159 0

Татары (Туймазы) 50 0

Удмурты 536 13

Бурзянские башкиры 57 0

Пермские башкиры 48 0

Казанские татары 53 0

Армяне* 400 0

Азербайджанцы (Иран) * 294 0

Всего 3202 13

* - образцы предоставлены Генным банком Эстонского Биоцентра

** - выборки, частично дополненные образцами из генного банка лаборатории

молекулярной генетики человека ИБГ УНЦ РАН

Филогения гаплогруппы А мтДНК

Одной из наиболее часто встречающихся линий гаплогруппы А в популяциях ВУР является AI0 (табл. 1). Нами определены нуклеотидные последовательности 6 митохондриальных геномов представителей ВУР (чувашей, марийцев), а также таджиков, ногайцев, нганасан, и долган (рис. 2).

Полностью секвенированные нами образцы этой гаплогруппы из популяций долган и нганасан, ГВС1 которых ранее был опубликован в работе Тамм с соавт. (Tamm et al., 2007), принадлежали к одной ветви, определяемой заменой С16256Т в контрольном регионе. Следует отметить, что данная замена не была обнаружена ни в одной другой исследуемой нами популяции. Это указывает на единое происхождение этой линий А10 в популяциях долган и нганасан, а также свидетельствует в пользу высказанного Гольцовой с соавт. предположения о том, что имел место процесс ассимиляции нганасан долганами во второй половине 20 века (Гольцова и др., 2005).

11002 (1520: 21012» « С64Т **

Э28Э1А 31Б230А1

Э8995А А9524С Каз. татарин 13 и122995 Ма1уагсЬик 2010 АЧбЬбС С1Б256Т I I А174БО I

[Чуваш 46] Нганасан 22Б

Таджик 40 Долган 15 | Ногаец 55 |

Рисунок 2. Фрагмент филогенетического дерева гаплогруппы А мтДНК. Примечание. Зеленым цветом выделены образцы, полные последовательности которых были получены в этом исследовании. Синим цветом - уже опубликованные образцы.

Все обнаруженные на сегодняшний день образцы гаплогруппы А10, за исключением 1 образца из Канады (Behar et al., 2012), относятся к одной линии гаплогруппы А10, определяемой заменами С64Т, G2831A и G16230A!, в том числе и образцы из Волго-Уральского региона: чуваши, марийцы, бурзянские башкиры и казанские татары (рис.2).

Все выявленные нами образцы, принадлежащие к этой гаплогруппе, имели идентичные мотивы ГВС1, за исключением одного представителя из популяции чувашей, который имел дополнительную замену A16175G (рис. 2). Образцы секвенированных нами ногайца (Бермишева и др., 2004) и таджика (Tamm et al., 2007) также формируют отдельные ветви филогенетического дерева гаплогруппы А10, причем, образцы из популяций татар (Malyarchuk et al., 2010а) и таджиков (Tamm et al., 2007) принадлежат к одной ветви (рис. 2). Также в популяциях ВУР нами был проведен скрининг выявленных в ходе полногеномного секвенирования мтДНК мутаций кодирующего региона (G8995A, A9524G, A1746G). В результате было показано, что только у одного индивида чувашской этнической принадлежности имеются замены, обнаруженные ранее в популяциях таджиков и казансках татар G8995A, A9524G (Tamm et al., 2007; Fedorova et al., 2013).

Результаты филогенетического анализа показывают, что образцы из популяций удмуртов и бесермян формируют отдельный кластер на дереве галогруппы А, определяемый мутациями как в кодирующем (Т9167С, Т15908С), так и в контрольном регионах мтДНК (A93G, С150Т). Кроме того, один из образцов удмуртов имеет дополнительную замену в позиции G5460A.

В свою очередь «сибирскую» ветвь гаплогруппы А12, представленную в популяциях манси, эвенков, бурят и у образца с неизвестным происхождением (Behar et al., 2012), с обнаруженной нами линией объединяют замены в позициях Т152С!, С16362С, Т16189С!, хотя последняя не содержит в кодирующем регионе две характерных для А12 мутации: A12720G, Т14290С. Полученные нами данные о разнообразии линий гаплогруппы А в популяциях бесермян и удмуртов демонстрируют наличие общей линии мтДНК, которая не была обнаружена ранее. Это свидетельствует в пользу гипотезы общего происхождении бесермян и удмуртов, высказанной историком Белых (Белых и др., 2005).

Один образец из популяции башкир не был нами отнесен к какой-либо известной гаплогруппе, и представляет самостоятельную линию гаплогруппы А. Это достаточно интересное обстоятельство позволяет предположить раннее присутствие гаплогруппы А в генофонде башкир (рис. 2)

Генетические взаимоотношения между этническими группами Волго-Уральского региона по данным мтДНК

Полученные нами данные об изменчивости мтДНК в популяциях Волго-Уральского региона были использованы для анализа генетических взаимоотношений между изучаемыми популяциями с помощью анализа главных компонент.

На графике мы можем видеть смещение субпопуляций башкир как вдоль первой, так и вдоль второй главной компоненты. В наибольшем удалении от других популяций находится субпопуляция пермских башкир (рис. 3), в генофонде которых нами была обнаружена высокая частота линий Fib - 22,9%, присутствующих в других популяциях региона либо с низкими частотами, либо вовсе отсутствующих (табл. 2).

^ Пермские башкиры Удмур ♦ ы ♦ Бесермяне

РС1 (27,9%) Туймазинские татары . ф Коми ^Лордва

♦ Казанские татары ^ Марийцы Чуваши

Бурзянские* башкиры Архангельские башкиры * РС2 (18,6%)

Рисунок 3. Положение исследованных популяций Волго-Уральского региона в пространстве первой и второй главных компонент (РС1 и РС2) на основании частот гаплогрупп мтДНК.

Некую отдаленность субпопуляций бурзянских и архангельских башкир от других популяций Волго-Уральского региона можно объяснить повышенной по сравнению с другими популяциями региона, частотой линий гаплогрупп С, G, В.

Полиморфизм Y-хромосомы в популяциях Волго-Уральского региона

В популяциях Волго-Уральского региона было обнаружено 34 гаплогруппы Y-хромосомы (табл. 4). Основная доля отцовского генофонда изученных популяций приходится на три гаплогруппы: R-M269, R-M198 и N-M231, частоты которых в сумме в разных популяциях составляют от 49% до 100% (табл. 2).

Иными словами, большая часть всего генетического разнообразия Волго-Уральского региона приходится на три крупных ветви, формирующие специфический для данного региона генетический ландшафт, выделяющий его среди других популяций мира.

Следует отметить, что наибольшее генетическое разнообразие как и по данным мтДНК, так и по данным У-хромосомы приходится на субпопуляции казанских (0,9144 ±0,0211) и туймазинских татар (0.9412 ± 0,0165), в то время как наименьшее наблюдается в популяции удмуртов (0.5535 ± 0,0668).

Таблица 4 - Частоты (%) гаплогрупп У-хромосомы в различных популяциях Волго-Уральского региона

Бурзянскис Башкиры Чуваши Коми 1 Марийцы Мордва Казанские Татары Туймазннскис Татары Удмурты Бесермяне

N 58 43 50 44 59 53 50 52 53

Я1а-М198 2,0 1,7 2.0 3,8

Ша^З 2,3 1,9

Ша-М558 18,6 18,0 15,9 32,2 7,5 6.0 1,9 17,0

Я1а-М458 4,7 4,0 1.7 7,5 7,7

Я1а-г95 1,7 3,4 1,9 4.0

К1а-г282 1,7 2.3 2,0 2,3 1,7 1,9 11,3

Я1а-г2125 31,0 2,3 1,7 2,0

ЮЬ-М412 1,7 2,0 2,3 2,0

5Ш>-Ь23 2,0

1Ш>-22105 36,2 2,3 8,0 6,8 21,2 3,8

Я1Ь-М73 5,2 1,9

ШЬ-М405 3,4 14,0

1-М 170 3,8

I- М253 7,0 2,0 3,4 11,3 8,0

1-Р37 4,7 2,0 1,9 2,0 1,9

1-М223 1,7 2.0

}-12П 1,7

Л-М267 2,3 2,0

J2a-M410 3,4 9,3 5,1 9,4 6,0

;2Ь-М12 4,7 10,2 5,7 2,0

С-М201 2,0

С-Р16 5,7 2,0

й-РЗОЗ 3,4 2,0

о-ш 2.0

Таблица 4 (Продолжение)

С-М485 1,9

Е-М35 4,0 5,7

Е-М78 14,0 4,0 10,2 6,0 3,8

Ы-ТАТ 12,1 18,6 30,0 43,2 10.2 22,6 8,0 63,5 41,5

Ы-Р43 6,9 9,3 20,0 34,1 5,7 16.0 5,8 13,2

С-М130 1,7 5,7 2,0

0-М 175 1,9

Ь-М20 4,0

(}-М242 2,0

С?-М346 2,0

Наиболее распространенной линией гаплогруппы Я1-М173 в Волго-Уральском репюне является гаплогруппа Ша-М198 (с подфуппами Я1а-2282, Я1а-М458, Я1а-М558, Я1а-293,Я1а-295, Я1а-22125) - ее частота варьирует от 9,6% в популяции удмуртов до 42,4% в популяции мордвы.

В последних работах по изучению У-хромосомы (Рапуау е1 а1., 2012; ШскгЫН е( а]., 2014) были получены данные о новых маркерах внутри гаплогруппы Я1а-М198, таких как 293 и 2282, которые имеют более специфическое географическое распределение. Так, более чем 94% Европейских образцов Я1а-М198 (за исключением цыган) принадлежат гаплогруппе Ша-2282 , в то время как более чем 88% образцов Среднего Востока, Кавказа и Азии (за исключением евреев) относятся к гаплогруппе Ша-293 (Рапуау е1 а1., 2012; Ш^егЬШ й а1., 2014). Было предположено, что Средний Восток был географическим центром, из которого гаплогруппы Я1а-2282 и Я1а-293 распространились в Европу и Азию, соответственно (Шс1егЫ11 е1 а1., 2014).

В свою очередь гаплогруппа Я1а-2282 представлена линиями, определяемыми маркерами М458, М558 и 2284 (ШскгЫН е! а1., 2014). Я1а-М458 имеет преимущественно восточно- и центрально-европейское распространение. При этом в Волго-Уральском регионе нами не было выявлено какой-либо закономерности в ее распространении, связанной с географической или лингвистической принадлежностью популяций (табл. 4). Еще одна восточноевропейская линия гаплогруппы Я1а-М198 - Я1а-М558 - в Волго-Уральском регионе распространена в большей степени, чем Я1а-М458 (табл. 4). Стоит отметить, что с наименьшими в регионе частотами линии гаплогруппы II 1а-М198 и, в частности, гаплогруппа Я1а-М558 (1,9%) наблюдаются в популяции удмуртов. Ша-М558 была обнаружена нами практически во всех популяциях ВУР,

за исключением башкир, что может свидетельствовать в пользу ее достаточно долгого присутствия в регионе. По всей видимости, носители этой гаплогруппы принимали участие в этногенезе как тюркских, так и финно-угорских популяций Волго-Уральского региона. Преимущественно азиатская гаплогруппа Ша-г93 в Волго-Уральском регионе представлена тремя линиями: Я\а-293(&95), Я1а-295(хг2125), Я1а-72125. Ша-293(х295) и Ша-295(х22125) в популяциях региона присутствуют с низкими частотами, в то время как Ша-22125 является доминирующей в популяции башкир (31%), что свидетельствует в пользу того, что Ша-М198 в популяции башкир имеет преимущественно центрально- и переднеазиатскос происхождение. Также Ша-22125 обнаружена в популяциях чувашей, мордвы и туймазинских татар с частотами, не превышающими 2%, что, по всей видимости, говорит о ее появлении в генофондах этих этносов в результате межпопуляционных взаимодействий ввиду единой географической области проживания.

Другой распространенной в Волго-Уральском регионе линией гаплогруппы 111-М 173 является К1Ь-М343 (табл. 4). Последние исследования, основанные на детальном изучении ее распространения в популяциях мира, а также разнообразия БТЯ-локусов, показывают, что местом происхождения гаплогруппы ЮЬ-М269 следует считать Западную Азию (Мугеэ е1 а1., 2011). Предполагается, что оттуда она распространилась в Европу, причем это распространение связывается преимущественно с неолитической культурой линейно-ленточной керамики (МугеБ ^ а!., 2011). Основная ветвь ШЬ-М269 определяется маркером Ь23. Ее, в свою очередь, можно условно подразделить на европейскую, определяемую маркером М412, и чаще встречающуюся на Кавказе и в Передней Азии, определяемую маркером Ь23(хМ412). На сегодняшний день единственной выявленной линией К1Ь-1_23(хМ412) является 111Ь-22105, ранее обнаруженная только в субпопуляциях марокканских, турецких и курдских евреев (Яоо1з1 е1 а1., 2013).

В Волго-Уральском регионе гаплогруппа ШЬ-22105 является доминирующей и встречается в большинстве изученных нами популяций, за исключением двух субпопуляцнй татар и марийцев, где она не встречается вовсе (табл. 4). Не вызывает сомнения тот факт, что этногенез народов региона непосредственно связан с носителями именно этой линии гаплогруппы ЮЬ-М343. С максимальными частотами К1Ь-22105 встречается в субпопуляциях башкир (36,2%) и удмуртов (21,2%), с более низкими - в популяциях коми (8%), мордвы (6,8%), бесермян (3,8%) и чувашей (2,3%). В популяциях удмуртов, бесермян и

чувашей линия Rlb-Z2105 была единственной выявленной нами линией Rlb-М269. Отдельно необходимо сказать о субпопуляциях татар, которые демонстрируют совершенно другой профиль распределения гаплогруппы Rlb-М269. Так, в субпопуляции казанских татар нами была выявлена только линия Rlb-M73, а в субпопуляции туймазинских татар преобладала линия Rlb-M405, которая ранее была преимущественно обнаружена в центральноевропейских популяциях (Cruciani et al., 2011, Myres et al., 2011).

Доминирующей в генофондах фшшо-угорских популяций ВУР является гаплогруппа N-M231, а именно, се линии Niel-TAT и Nlc2-P43. Однако стоит отметить, что линии гаплогруппы N-M231 с высокими частотами (более 20%) встречаются в тюркоязычных популяциях башкир, чувашей, казанских и туймазинских татар. При этом, гаплогруппа Nlcl-TAT преобладает над Nlc2-P43 во всех популяциях Волго-Уральского региона за исключением туймазинских татар (табл. 4).

Другие гаплогруппы Y-хромосомы встречаются реже, однако стоит упомянуть присутствие с высокими частотами типичной для Северной Европы гаплогруппы 1-М253 в субпопуляциях казанских (11,3%), туймазинских татар (8%) и чувашей (7%). Также высокие частоты демонстрирует широко распространенная в Африке и в Средиземноморье гаплогруппа Е-М78, составляющая 14% в генофонде чувашей и 10,2% в генофонде мордвы.

Генетические взаимоотношения популяций Волго-Уральского региона по данным об изменчивости Y-хромосомы

На графике (рис. 4) наблюдается отличие башкир из Бурзянского района РБ от других популяций Волго-Уральского региона как вдоль первой, так и вдоль второй компоненты.

Наиболее близко к популяции мордвы вдоль оси первой главной компоненты располагаются туймазинские и казанские татары, а также чуваши, при том, что финно-угорские популяции удалены от мордвы в наибольшей степени. Первая компонента связана с распределением гаплогрупп Rla-Z2125 н Rlb-Z2105, в то время как вторая объясняет различие по содержанию гаплогруппы Nlcl-Tat и Nlc2-P43 (рнс.4). Также некую отдаленность субпопуляции туймазинских татар определяет наличие гаплогруппы Rlb-M405, которая либо отсутствует, либо имеет крайне низкие частоты в других изученных популяциях Волго-Уральского региона.

Бурзянские башкиры ^ РС1 (32,5%) Туймазинские татары ♦ Мордва Казанские * татары ^Чуваши

Удмурты ♦ РС1 (25,8%) ^Коми ^Бесермяне Марийцы

Рисунок 4. Положение исследованных популяций Волго-Уральского региона в пространстве первой и второй главных компонент по данным об изменчивости Y-хромосомы. Примечание: РС1 - первая главная компонента, РС2 - вторая главная компонента.

***

Таким образом, развиваясь, долгое время на одной территории, популяции Волго-Уральского региона, несмотря на лингвистические различия и наличие своих культурных и исторических особенностей, в силу географической близости имели межпопуляционные контакты, но в то же время сохранили свою уникальность. Результаты нашего исследования показывают, что это находит отражение как в митохондриальном, так и в Y-хромосомном генофондах народов изучаемого региона.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что в популяциях Волго-Уральского региона преобладающими являются западноевразийские линии мтДНК (82,7%), за исключением пермских башкир, в генофонде которых с высокими частотами обнаружены восточноевразийские гаплогруппы Fib (22,9%) и D4 (14,6%).

2. В популяции удмуртов впервые обнаружена ранее не описанная гаплогруппа мтДНК Н99, которая, вероятно, имеет автохтонное происхождение, поскольку проведенный скрининг показал отсутствие этой гаплогруппы в других популяциях Волго-Уральского региона, а также в популяциях эстонцев, русских, армян и иранских азербайджанцев.

3. В популяциях архангельских башкир, чувашей и марийцев впервые обнаружена линия гаплогруппы мтДНК Н55, определяемая заменой С9449Т, что свидетельствует о наличии межэтнических контактов между популяциями региона по женской линии.

4. Показано, что основная доля гаплогрупп Y-хромосомы в популяциях Волго-Уральского региона представлена линиями Nlcl-Tat (27,7%), Rla-M198 (25,3%), Rlb-M269 (12,5%) и Nlc2-P43 (12,3%), что составляет 77,9% генетического разнообразия гаплогрупп Y-хромосомы.

5. Впервые выявлено, что доминирующей линией гаплогруппы Rla-Ml98 Y-хромосомы в популяции башкир является Rla-Z2125, что связано с переднеазиатским и среднеазиатским влиянием. В других популяциях Волго-Уральского региона обнаружено преобладание линий Rla-M558 и Rla-M458, которые определяют восточноевропейское влияние.

6. Впервые показано, что наиболее распространенной линией гаплогруппы Rlb-M269 Y-хромосомы в Волго-Уральском регионе является Rlb-Z2105, которая была обнаружена в популяциях башкир (36,2%), удмуртов, (21,2%), коми (8%), мордвы (6,8%), бесермян (3,8%), и чувашей (2,3%).

7. Максимальными для Волго-Уральского региона показателями генетического разнообразия по гаплотипам мтДНК и Y-хромосомы характеризуются казанские (#=0,9929 ± 0,0055 и //=0,9144 ± 0,0211) и туймазинскне татары (//=0,9910 ±

0.0068 и //=0,9412 ± 0,0165 соответственно), что свидетельствует в пользу высокой гетерогенности этих популяций и их формировании на основе различных предковых групп населения. Наименьшее разнообразие по данным об изменчивости мтДНК обнаружено для популяции марийцев (#=0,9286 ± 0,0160), а по данным Y-хромосомы - для популяции удмуртов (#=0,5535 ± 0,0668), что может быть связано с эффектом бутылочного горлышка в генетической истории этих популящш.

8. Анализ генетических взаимоотношений популяций Волго-Уральского региона по данным о распределении гаплогрупп мтДНК показал, что субпопуляцня пермских башкир наиболее удалена от других популяций региона; по данным о распределении гаплогрупп Y-хромосомы наиболее удаленной от других популяций является субпопуляция бурзянских башкир. По обеим системам маркеров обнаружена генетическая близость бесермян с другими финно-угорскими популяциями Волго-Уральского региона, что свидетельствует в пользу связи их происхождения с финно-угорскими племенами.

Список публикаций по теме диссертации Статьи в журналах ВАК

1. Fedorova S. Autosomal and uniparental portraits of the native populations of Sakha (Yakutia): implications for the peopling of Northeast Eurasia. S. Fedorova, M. Reidla, E.

Metspalu, M. Metspalu, S. Rootsi, K. Tambets, N.Trofimova, S. Zhadanov, B.H. Kashani, A. Olivicri, M. Vocvoda, L. Osipova, F. Platonov, M. Tomsky, E. Khusnutdinova,, A. Torroni and Richard Villems / Autosomal and uniparental portraits of the native populations of Sakha (Yakutia): implications for the peopling of Northeast Eurasia//BMC Evolutionary Biology 2013, 13:127, P. 1-18.

2. Трофимова H.B. Генетическая характеристика поволжских татар по данным об однородительских маркерах / Н.В. Трофимова, С.С. Литвинов., Р.И. Хусаинова,

B.Л. Ахметова, Ф.С. Ахатова, Р. Виллемс, Э.К. Хуснутдинова // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15, № 3(5). С. 1466-1469.

Материалы конференций

3. Trofimova N. Diversity of mtDNA in populations of the Volga-Ural region. Annual Conference of UT IMCB, UT EG С and EBC 2012. http://aastakonverents2012 .ebc.ee/aastakonverents2012_kava.pdf.

4. Трофимова H.B. Изучение нуклеотидных последовательностей в популяциях мира / Н.В. Трофимова, С.С. Литвинов, Э.К. Хуснутдинова //Материалы Всероссийской школы-конференции молодых ученых. / Уфа: РИЦ БашГУ, 2012.

C. 163.

5.Trofimova N.V. mtDNA analysis in the Volga-Ural populations / N. V. Trofimova., K. Tambets, S. Litvinov, R. I. Khusainova, V. L. Akhmetova, I. M. Khidiyatova, R. Villems, E. K. Khusnutdinova. // Abstracts of European Human Genetics Conference / Paris. 2013. P. 554.

6. Litvinov S. Y-chromosome haplogroup analysis in the Besermyan ethnic group / S. Litvinov., N. Trofimova , R. I. Khusainova, V. L. Akhmetova, E. K. Khusnutdinova. // Abstracts of European Human Genetics Conference / - Paris. - 2013. - P. 553.

7. Trofimova N.V. Genetic poryrait of the besermyan ethnic group based on mtDNA haplogroup N. V. Trofimova., K. Tambets, S. Litvinov, R. I. Khusainova, V. L. Akhmetova, 1. M. Khidiyatova, R. Villems, E. K. Khusnutdinova // Abstracts of 8th ISABS Conference in Forensic, Anthropologic and Medical Genetics and Mayo Clinic Lectures in Translational Medicine. - Split. - 2013. - P. 224.

8. Trofimova N.V. The study of the populations of the Volga-Ural region of Russia in the context of Eastern Eurasian mtDNA haplogroups / N. V. Trofimova., K. Tambets, S. Litvinov, R. I. Khusainova, V. L. Akhmetova, I. M. Khidiyatova, R. Villems, E. K. Khusnutdinova // Abstracts of European Human Genetics Conference / -Milan. - 2014. -P. 504.

Подписано в печать 22.01.2015. Бумага офсетная. Формат 60X84/16. Гарнитура Times. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 894.

Типография И11ЯЛ УНЦ РАН Г. Уфа, пр. Октября, 71. тел. (347)235-60-50