Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Новые технологии изучения пространственной структуры генофонда

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Новые технологии изучения пространственной структуры генофонда"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ МЕДИЦИНСКИХ НАУК МЕДИКО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

ПГС ЛП На правах рукописи

Г 1 и V" удК 575:599.9

1 ДЫ 1998

БАЛАНОВСКАЯ Елена Владимировна

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗУЧЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ГЕНОФОНДА

03.00.15 - Генетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

МОСКВА, 1998

Работа выполнена в лаборатории генетической эпидемиологии Медико-генетнмескш о научного центра РАМН

Научный консультант: член-корреспондент РАМН,

доктор биологических наук, профессор Е.К.Гинтер

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН,

доктор исторических наук, профессор Т.П.Алексеева

доктор биологических наук, профессор В.Д.Сшщын

доктор биологических наук В.I (.Трубников

Ведущая организация: Институт молекулярной генетики РАН

Защита диссертации состоится "_"_1998 г.

в_часов на заседании Диссертационного совета Д.001.16.01

при Медико-генетическом научном центре РАМН по адресу: 115478 Москва, ул. Москворечье, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Медико-генетического научного центра РАМН.

Автореферат разослан "_"_" 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор биологических наук, Л.Ф. КУРИЛО

профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема микроэволюции популяций является центральной в популяционной генетике. Однако прослеживать эволюцию популяций во времени чрезвычайно сложно. Поэтому основным направлением в решении проблем микроэволюции является анализ пространственной структуры популяций. Генетическое разнообразие современных популяций является итогом и материальным воплощением всего хода их эволюции, т.е. разверткой в пространстве процесса эволюции, протекающего во времени. Этот принцип эргодичности ярко выражен Э. Реклю: "География по отношению к человеку есть не что иное, как История в пространстве, подобно тому, как История является Географией во времени" (Реклю, 1906. Т.1, с.1). Такая "взаимозаменяемость" времени и пространства и позволяет изучать микроэволюцию популяций через их географическую изменчивость.

Генофонд человека является одним из наиболее изученных, накоплен огромный объем информации о генетических различиях между популяциями ойкумены; арсенал методов также велик - от прямого сравнения частот генов до изощренных методов многомерной статистики. Используются различные методы анализа генетических расстояний и построения "родословных древ" популяций; анализа межпопуляционного разнообразия и гетерозиготности популяций; построения "синтетических" карт генофонда и "wombling''-анализ; методы генохронологии; автокорреляционный анализ и другие методы оценки факторов микроэволюции (дрейфа, миграций, инбридинга, отбора) на основе данных о пространственной изменчивости популяций.

Однако обилие методов само по себе не обеспечивает целостного анализа генофонда. Поэтому наиболее актуальной становится разработка не изолированных методов, а общих подходов к многостороннему и комплексному изучению генофонда в целом, задача создания комплексных технологий анализа пространственной изменчивости генофонда. Такие технологии должны обеспечить: I) гармоничное объединение методов анализа генофонда; 2) строгие алгоритмы решения задач; 3) адекватное программное обеспечение. Поскольку понятие технологии соединяет "знание" (logos) и "мастерство" (techne), технологии должны включать и новые научные подходы, и детально разработанную технику их реализации.

Данная работа носит методический характер. В ней предложены новые методы и технологии, охватывающие основные направления в изучении пространственной структуры генофонда и факторов его микроэволюции: 1) анализ закономерностей селективно-нейтрального процесса; 2) выявление эффектов селективно-значимого процесса (роль отбора); 3) комплексный картографический анализ; 4) комплексный анализ микроэволюции подразделенной популяции. Все методы и технологии продемонстрированы в приложении к наиболее изученному генофонду человека - от элементарных популяций до генофонда всей ойкумены - и позволили получить принципиально новые характеристики рассмотренных генофондов. Однако разработанные технологии приложимы почти к любым живым организмам.

Цель исследования', разработка мегодов комплексного изучения генофонда, его географической дифференциации и факторов микроэволюции.

Задачи исследования.

1. Разработать новые методы и технологию изучения закономерностей селективно-нейтральной микроэволюции:

• разработать технологию "стратиграфического" анализа селективно-нейтрального процесса в системах популяций;

• определить параметры селективно-неПтрллыюго процесса в р.илпчпых генофондах ойкумены.

2. Разработать методы и технологию изучения селективно-значимой микроэволюции (эффектов отбора):

• разработать серию технологий оценивания эффектов отбора по ¡-тому гену через гетерогенность оценок межпопуляционного разнообразия Рзтш;

• создать технологию экспресс-диагностики эффектов отбора;

• определить новую характеристику генофонда - селективную структуру - и изучить ее особенности в генофондах ойкумены. '

3. Разработать комплексную картографическую технологию изучения пространственной структуры генофонда:

• картографического моделирования и анализа отдельного признака;

• картографического моделирования и анализа совокупности признаков;

• анализа закономерностей в пространственной изменчивости генофонда (тренды, корреляции, синтетические карты).

4. Разработать комплексную технологию изучения микроэволюции подразделенной популяции (на основе традиционных и модифицированных методов):

• анализа частот генов (эмпирических и теоретических распределений);

• анализ» генетического разнообразия популяций (общего, межпопуляционного, гетерозиготности);

• анализа селективной структуры;

• провести комплексный анализ основных генофондов ойкумены.

Научная новизна. Содержание работы составляют новые методы, новые технологии и впервые выявленные на их основе закономерности и особенности в пространственной изменчивости различных генофондов ойкумены.

Впервые разработана технология комплексного анализа подразделенной популяции, объединяющая давно существующие и новые методы аналша распределений частот генов, генетического разнообразия и эффектов отбора. Впервые проведен комплексный анализ всех основных генофондов ойкумены. Обнаружено особое положение генофонда Северной Евразии среди анализируемых историко-географических регионов всей ойкумены: именно этот генофонд в наибольшей степени воспроизводит основные характеристики мирового генофонда в целом.

Впервые разработана технология "стратиграфического" ("я1п11шп" - слой, пласт) анализа селективно-нейтрального процесса в популяционных системах и выявлена новая закономерность: "квантуемость" межпопуляционного разнообразия. Впервые проведено комплексное изучение селективно-нейтрального процесса в основных генофондах Северной Евразии: при комплексном использовании статистического и картографического анализа идентичной исходной информации.

Впервые разработана серия технологий изучения отбора по данным о пространственной изменчивости частоты гена. Для большого набора генов (более 80 иммуно-биохимических маркеров) для генофонда каждой части света выдвинута гипотеза действия отбора на каждый ген и дана количественная оценка интенсивности отбора. Впервые разработана экспресс-диагностика эффектов отбора. Проведен сравнительный анализ селективной структуры генофондов всех частей света и пяти генофондов Северной Евразии.

Впервые разработана геногеографическая технология, позволяющая проводить комплексный картографо-статистический анализ генофонда. Технология обеспечивает компьютерное картографическое моделирование и анализ пространственной изменчивости отдельных признаков, их совокупностей и связей. Она позволяет осуществлять преобразования карт, проводить одно- и мноюмерный статистический анализ, выявлять основные закономерности геногеографических

карт. Возможности технологии впервые продемонстрированы на широком спектре параметров пространственной изменчивости генофонда человека.

Новизна состоит в оригинальности технологий, объединяющих комплексный подход с современным методическим инструментарием. Технологии удовлетворяют требованиям и гибкости, и унифицированности, что позволяет проводить комплексное изучение генетической структуры популяций и сравнительный анализ пространственной изменчивости генофондов.

Практическая значимость. Разработанные подходы, методы и технологии имеют важное теоретическое, методическое и практическое значение; они применимы в широком спектре естественных и гуманитарных наук, включая теоретическую биологию, генетику, медицину, картографию, антропологию, зоологию, ботанику, этнографию, археологию и др. Созданные технологии и выявленные закономерности селективно-нейтральной эволюции популяционных систем позволяют проводить мониторинг природных и искусственно поддерживаемых популяций (Алтухов, 1995). Оценка селективной ценности отдельных генов и селективной структуры генофондов в целом позволяет отслеживать действие отбора в современных популяциях. Технологии позволяют как анализировать действие отдельных факторов микроэволюции, так и проводить комплексный анализ пространственной изменчивости генофонда. Компьютерное картографирование позволяет проводить комплексный анализ данных различных естественных (биология, география, медицина) и гуманитарных (археология, история, этнография) наук, решая общие и практические задачи этих наук.

Результаты работы уже использовались при изучении: генофондов разного масштаба - от отдельных народов (адыги, башкиры, мари, осетины, русские, белорусы) до крупных регионов (Кавказ, Восточная Европа, Урал, Снбирь, Северная Евразия); географии наследственных болезней (Марий Эл, Мордовия); пространственной изменчивости в Старом свете генов, связанных с гиполактазией и ВИЧ-1 инфекцией; микрогеографии культурных растений; популяционных систем ценных видов лососевых рыб; а также в учебном процессе Московского и Санкт-Петербургского университетов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Созданные технологии обеспечивают многостороннее изучение генофонда и факторов его микроэволюции - отбора, дрейфа генов и миграций.

2. "Квантуемость" селективно-нейтрального процесса микроэволюции является эффективным инструментом анализа устойчивости и масштаба популяци-онных систем.

3. Созданные технологии оценки отбора через гетерогенность межпопуля-ционного разнообразия позволяют выдвигать гипотезу о типе и интенсивности действия отбора на ген.

4. Картографические технологии дают принципиально новую информацию о пространственной изменчивости отдельных генов, их совокупностей и связей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на IV съезде ВОГиС (Кишинев,1982); Международном симпозиуме "Genetic Microdifïerentiation in Human and Other Animal Populations" (Индия, 1984); IV и VII Всесоюзных симпозиумах "Молекулярные механизмы генетических процессов" (Москва, 1987, 1990); Международном симпозиуме "The Human Tide -Human Colonization and the Paleolithic Archaeological Records" (Moscow, 1993); Международном симпозиуме "Горизонты антропологии" (Москва, 1995); I Всероссийском съезде ВОГиС (Саратов, 1995); I и II Международных Конгрессах этнографов и антропологов (Рязань, 1995; Уфа, 1997); I конференции РО Европейской антропологической ассоциации "Новые методы - новые подходы в современной антропологии" (Москва, 1996); Международном конгрессе антропологов "Variation in the Human Genome: Acquiring, Handling and Storing the Date (Helsinki, 1997); I Международной конференции РО Европейской антропологической ассоциации "Раса: миф или реальность?" (Москва, 1998); II Всероссийском популяционном семинаре "Жизнь популяции в гетерогенной среде" (Йошкар-Ола, 1998); I школе ВОГиС "Экологическая генетика" (Санкт-Петербург, 1998); на научных семинарах Исторического музея, институтов Археологии РАН, ИОГен РАН, МГНЦ РАМН.

Публикации', по теме работы опубликовано 68 работ.

Структура и объем работы. Работа изложена на 280 страницах, построена в монографическом плане и содержит 7 глав: введение, изложение основных подходов к изучению генофонда, принципов организации данных и четыре главы с изложением четырех технологий изучения пространственной структуры генофонда; а также заключение, выводы, список литературы (375 источников, из которых 185 зарубежных) и 4 приложения. Работа иллюстрирована 37 таблицами и 68 рисунками.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Характеристика материала дана в каждом из разделов, поскольку для каждой из разработанных технологий выбирался адекватный модельный объект в соответствии с требованиями масштаба генофонда, его популяционной структуры и генетической изученности. Одним из источников данных является геоинфоси-стема "GENE POOL", много лет разрабатываемпя по гранту ГНТП "Приоритетные направления генетики"'". Оригинальное программное обеспечение создавалось большим коллективом математиков, программистов, географов и генетиков с активным участием и под руководством автора'2».

Общим методическим подходом (концепция "обобщенного гена"), подробно аргументированным в работе, является оценка селективно-нейтральной изменчивости F. = (íNeM.+l)-1 через средний показатель межпопуляционнои изменчивости Fst, полученной по репрезентативной выборке генов из генома (Cavallí-Sforza, Bodmer, 1971; Levontin, Krakauer, 1973, 1975; Neí, 1975; Рычков, 1986; Алтухов, 1995 и др.). Размер случайной выборки принимается достаточным при «50 аллелях «20 локусов (Fuerst et al., 1977; Chacraborty et al., 1978; Bowcock et al., 1987; Айала, Кайгер, 1988; Cavalli-Sforza, Piazza, 1993 и др.).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1. Комплексное исследование пространственной изменчивости мирового генофонда

При разработке технологии комплексного анализа использованы в основном методы, предложенные другими авторами, и литературные исходные материалы. Нашей целью было показать, что при модификации и комплексном использовании даже давно существующих методов и данных, но объединенных общей целью, единой и корректной организацией генов и популяций, можно решать принципиально новые задачи.

В арсенале популяционной генетики есть три основных инструмента для описания пространственной структуры генофонда: 1) частоты генов; 2) генное

1 Грант "СОЗДАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО БАНКА ДАННЫХ О ГЕНОФОНДЕ НАСЕЛЕНИЯ

РОССИИ И СОПРЕДЕЛЬНЫХ СТРАН" (1991-1996 гт. - Л 6.72, 1996-1998 г. -X. 6.395), рук. Е.В. Балановская.

3 Автор нскренне признателен своему учителю проф. Ю.Г. Рычкову и коллеге С.Д. Нурбаеву, в тесном сотрудничестве с которыми разрабатывались технологии.

разнообразие; 3) структура отбора. Эти три инструмента объединены в комплексной технологии.

Модельный объект - панойкуменный генофонд и генофонды коренного населения всех крупнейших историко-географических регионов мира, благодаря чему в исследование включены все современные типы популяций человека (табл.1). Все исследование проведено на едином - этническом - уровне организации, поскольку именно он объективен, универсален для всего человечества и обеспечивает сравнительный анализ любых регионов мира на едином уровне популяционной структуры. Рассмотрены только наиболее изученные гены - 49 аллелей 20 полиморфных локусов. Всего по частотам генов в и 50000 популяций были получены характеристики 5135 этносов, в среднем на локус изучено 257 народов мира.

Таблица I

Организация данных о коренном населении нсгорико-географнческих регионов

Условное обозначение Регион Состав региона

('.Евразия Северная Евразия (бывший СССР) Включены: Европейская часть, Кавказ. Средняя Азия и Казахстан, Сибирь и Дальний Восток

Европа Европа и Юго-Западная Азия Включены; Афганистан, Кипр, Иран, Ирак, Иордания, Йемен, Кувейт, Ливан, Сирия, Саудовская Аравия и все страны Зарубежной Европы

Индостан Индийский регион Включены: Индия, Пакистан, Непал, Шрн-Ланка, Бутан

В.Азия Центральная, Восточная и Юго-Восточная Азия Включены: Китай, Япония, Корея. Монголия, Бирма, Кампучия, Вьетнам, Лаос, Таиланд, Малайзия, острова Сулавеси, Калимантан, Ява, Тимор, Филиппины

Америка Америки Включены: Северная, Центральная и Южная Америка

Африка Центральная и Южная Африка Не включены: Ливия. Марокко. Тунис. Египет. Алжир

Австралия Австралия Включены: Западная Австралия, Северная территория, Квинсленд

Меланезия Меланезия Включены: арх. Бисмарка. Новая Гвинея. Новые Гебриды, Соломоновы о-ва, Фиджи, Луайоте, Новая Каледония

Океания Микронезия и Полинезия Включены острова: Каролинские. Марианские. Гилберта, Маршалловы, Пасхи, Гавайские, Кука, Тувалу, Маркизские, Тубуаи, Туамоту, Новая Зеландия, Таити, Тонга, Токелау

Ойкумена Все регионы мира —

Для всех видов анализа и во всех генофондах выполнены единые требования (подробно анализируемые в работе): репрезентативность и единообразие выборки генов для всех генофондов; единый уровень анализа популяционной системы (этнический); единый исторический масштаб и целостность генофондов

(историко-географический регион). Единство в подходах, в организации данных и параллельном использовании всех трех инструментов популяционной генетики обеспечивает комплексность анализа пространственной изменчивости тспофонда.

а) Частоты генов. Построены эмпирические распределения этнических частот всех генов в каждом регионе и ойкумене в целом. Теоретические распределения построены из предположения стационарного селективно-нейтрального процесса. Сравнительный анализ эмпирических и теоретических распределений позволил оценить масштаб и характер пространственной изменчивости каждого гена, тип и интенсивность действия на него отбора. Степень сходства регионов и ойкумены по частотам генов определена через генетические расстояния (1рег-мир (рис.1, табл.2). Диапазон их различий чрезвычайно велик и достигает трехкратного уровня (от 0.108 в С.Евразии до 0.360 в Австралии). Коренное население Австралии, Африки и Меланезии в пространстве генных частот значительно удалено от мировых средних ((Ьег-мирХ)^). т.е. являются "генетическими окраинами" ойкумены. Ближе находятся Евразийские регионы (В.Азия, Индостан и Европа), и наиболее близок к мировому "генетическому центру" ((1рег-мир=0.108) генофонд С.Евразии (бывшего СССР).

0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05

0,36

0,265

0,213

0,108

0,129

0,161

1

0,178

0,206

С.Евра- Европа И идо- В.Азня Америка Африка Австра- Мелане- Океания В зин стан лня зня среднем

Средине геиеткчсекис расстояния ¿рег-мир

между региональными н мировым генофондом

Риа, 1

б) Генетическое разнообразие. Для каждого генофонда рассчитаны (табл.2) три основных характеристики генного разнообразия по М.Ые1 (1975) в

среднем по всем генам: Нт - общее разнообразие региона, Н_ч - средняя гетерози-готность этносов (рис.2); Сет» Гбт - дифференциация этносов в регионе. Проведен сравнительный анализ генофондов по совокупности трех показателей. Показано,

Таблица 2

Сравнительные характеристики енетического разнообразна (И,Г), теистических расстояний (с!) и корреляции селективной структуры (к) _в иерархической иопуляипонной системе ойкумены_

Генетическое разнообразие Генетпческне расстояния Селективная структура

Условное обозначение региона Нт региона Hs этноса Fst этносы в регионе (Ьтн-рег этносы в регионе dpet-mhp регионы в мире «Ьтн-мир этносы в мире крег-мир сходство регионов с миром

Ойкумена .343 .294 14.24 : ; - ; о h

С.Евразня .362 .335 5.90 .172 .108 .203 .598

Европа .355 .346 2.41 .110 .129 .169 .279

Индостан .341 .323 4.56 .151 .161 .220 .333

В.Азия .288 .278 3.78 .137 .178 .225 .181

. Америка .277 .249 8.37 .204 .213 .295 .241

Африка .296 .279 4.62 .152 .265 .305 .276

Австралия .235 .217 5.10 .160 .360 .394 .130

Меланезия .292 .265 6.62 .182 .246 .306 .329

Океания .313 .291 5.07 .159 .191 .248 .363

В среднем по 9 регионам .307 •287 5.16 Л 60 .218 .270 ; .287

Примечание: здесь и далее везде приводятся Gsi«l 0: и Fs~r*l О2 .

что уровень гетерозиготности Hs достоверно выше, чем в среднем по всем генофондам. в коренном населении трех регионов: Европы, С.Евразии, Индостана (Hs>0.32). Достоверно снижена гетерозиготность населения Австралии и Америки (Hs<0.25). Уровень гетерозиготности Невысоко коррелирует с общим разнообразием генофонда Нт: р = +0.97.

Уровень межэтнических различий Est концентрирует в себе итоги микроэволюции генофонда, связанные с эффектами генных миграций и дрейфа генов: размах различий по Fst между регионами во много раз выше, чем по Hs и Нт (табл.2). Достоверно выше среднерегионалыюго Fst в Америке и Меланезии, достоверно ниже - в населении Европы и В.Азии.

Население С.Евразии характеризуется высоким уровнем всех показателей генетического разнообразия: по уровню общего разнообразия Нт этот генофонд занимает первое место в мире; по уровню гетерозиготности Hs - второе; по уровню Fst - третье место в мире.

в) Селективная структура. На основе техники оценки отбора через гетерогенность межпопуляционной дифференциации Fst<o предложен новый параметр генофонда - его селективная структура. Выделяются три класса генов. Класс "LOWER DIFF" включает гены, дифференциация которых достоверно ниже селективно-нейтральной: Fst« < Fst; Для этих генов выдвигается гипотеза стабилизирующего отбора. Класс "NEUTRAL" включает условно-нейтральные гены с межпопуляционной изменчивостью Fst<¡). достоверно близкой к селективно-нейтральной: Fst(¡> ~ Fst. Класс "SUPER DIFF" включает гены, дифференциация которых достоверно выше селективно-нейтральной: Fsto) > Fst; для этих генов выдвигается гипотеза дифференцирующего отбора.

На основе трех статистических критериев - %2, t, F - была определена достоверность отличий FsTffl от Fst для каждого гена в каждом из генофондов ойкумены и получены оценки селективной структуры генофондов. Показано, что в разных генофондах одни и те же гены подвержены разным типам отбора. Наименее устойчив класс "NEUTRAL": ни один из генов не оказался селективно-нейтральным во всех регионах мира. Генный состав класса "LOWER DIFF" в генофондах мира более стабилен, чем класса "SUPER DIFF".

Степень сходства по селективной структуре в целом (коэффициент контин-генции к) региональных генофондов с мировым позволяет распределить генофонды по степени близости к "общевидовому" ответу на давление среды (табл.2,

рис.3). В целом по структуре отбора регионы имеют незначительное сходство с общемировым (к=0.29). В восточно-азиатском (k=0.I8) и австралийском (к=0.13) генофондах сложились свои независимые типы селективной структуры генофондов. Генофонды коренного населения Африки и Европы, Америки и Индостана, Меланезии и Океании, столь различные и географически, и антропологически, -демонстрируют один и тот же невысокий уровень сходства с глобальной селективной структурой (киО.З). И лишь один регион - С.Евразия -занимает особое положение: уровень его сходства с глобальной селективной структурой (к=0.60) в два раза выше среднерегионального! При этом высокий уровень сходства отмечается не для какого-нибудь одного, а для всех классов селективной структуры: дня LOWER DIFF k=0.6, для NEUTRAL k=0.5, для SUPER DIFF k=0.7.

Puc.3

Показатель сходства It селективной структуры мирового геиофонда С ОТДеДЬНЫМИ реГИОНаЛЬНЫМН Генофондам« (Ь - коэффициент кпшмтсинии)__

Сведем воедино показатели, полученные с помощью трех основных инструментов - частот генов, их разнообразия и селективной структуры (табл.2, рис. 1-3). Комплексная оценка позволила получить принципиально новые результаты. Одним из них является особое положение генофонда С.Евразии - по всем независимым показателям он наиболее полно воспроизводит мировой генофонд: из всех региональных генофондов мира лишь генофонд С.Евразии занимает центральное положение в пространстве как генных частот (наименьшее расстояние до мирового генофонда (1рег-мир= 0.108), так и селективной структуры (наибольший

показатель сходства с мировой селективной структурой крЕг-мир=0.60), и сохраняет наибольшее генное разнообразие (Нт=0.362). В "Приложении" подробно рассмотрен этот вопрос и другие приложения комплексного подхода, включая геногеографическую технологию и анализ пространственно-временной структуры мирового генофонда.

Общие положения технологии комплексного анализа

I. Единство организации данных а). Единство и репрезентативность выборки генов, детально изученных во всех популяциях.

\б). Единая схема популяционной иерархии: все уровни популяционной системы идентичны во всех сравниваемых регионах; регионы - одного эволюционно-Iисторического масштаба и целостности. (Рассмотрен пример системы: этносы => историко-географические регионы мира=> ойкумена).

в). Репрезентативность популяций каждого элемента популяционной системы: выбор адекватной группы населения (в данном случае - коренное не метисирован-ное население); равное представительство субпопуляций каждой из "ветвей" популяционной системы.

11. Совмещение алгоритмов всех трех инструментов популяционной генетики

а). Частоты генов - сопоставление эмпирических распределений частот генов с теоретическими, построенными в предположении селективной нейтральности и выдвижение гипотезы о действии отбора; анализ генетических расстояний между всеми уровнями и подразделениями популяционной системы.

б). Генетическое разнообразие - сравнительный анализ показателей общего, внутри- и межпопуляционного разнообразия в каждом подразделении популяционной системы.

в). Селективная структура - с помощью технологии выявления отбора определяются: тип и интенсивность отбора на каждый ген в каждом подразделении системы; селективная структура каждого генофонда; изменчивость селективной структуры по генофондам - как по доле генов в данном селективном классе, так и по качественному составу генов в селективных классах.

III. Комплексная интерпретация результатов I

Проводится сравнительный анализ популяционной системы в целом и ее подразделений по всем трем параметрам; определяются "типичные" и "своеобразные" регионы; причины сходства и различий; весь анализ проводится количественно.

Технология "настраивается" на каждый конкретный объект и конкретную задачу. Вместе с тем общий строй комплексной технологии достаточно универсален, а успешность применения к столь сложному объекту, как генофонд человечества, позволяет с уверенностью применять ее для анализа иных генофондов различных видов.

2. Селективно-нейтральная дифференциация генофонда Рассмотренная технология комплексного анализа, объединившая лишь наиболее простые и традиционные методы, позволила решать принципиально новые задачи. Включение новых технологий существенно расширяет возможности комплексного анализа.

В пространственной изменчивости можно выделить две основные составляющие - селективно-нейтральную и селективно-значимую. Для анализа этих двух типов изменчивости и разработаны две новые технологии (разделы 2 и 3).

Селективно-нейтральная изменчивость обусловлена двумя факторами микроэволюции - миграциями и дрейфом генов. Они действуют безотносительно к функции гена п связаны только с демографическими параметрами популяции (характер брачных связей и генетически эффективный размер популяции), общими для всех генов. Именно поэтому селективно-нейтральный процесс вбирает в себя все общее в судьбах генов и отражает историю генофонда в целом. Он является той общей магистралью эволюции, которая определяется движущимся равновесием двух противодействующих сил - миграций и дрейфа генов.

Определить параметры селективно-нейтральной межпопуляционной изменчивости F, можно, согласно концепции "обобщенного гена", через среднюю дифференциацию репрезентативной выборки независимых генов FSt«F.. Задача технологии - выявить механизмы и закономерности формирования селективно-нейтральной изменчивости FSt (== Gst).

Модельные объекты. 1) Три наиболее изученных генофонда коренного населения мира - Европы, Сибири и Америки: анализ 35 аллелей 12 локусов, для которых показано равенство Fst~Fc (Рычков, 1986). 2) Пять генофондов коренного населения С.Евразии - Сибирь, Средняя Азия, Урал, Кавказ, Европа: комплексный статистический и картографический анализ по идентичному набору генов -100 аллелей 30 локусов.

а) Вклад этноса в генетическое разнообразие популяций. Этнологи предполагают, что вся история Н. sapiens протекала в этнических объединениях -

племенах, народностях, нациях. Механизмом поддержания единства этноса является этническая эндогамия, т.е. преимущественное заключение браков в пределах этноса. Благодаря эндогамии этнос однозначно сопряжен с популяцией, в которой формируется своеобразный этнический генофонд. При этом важны два момента: то, что, благодаря этноопределителям, популяции этнического уровня фиксируются наиболее объективно, и то, что генетические процессы в народонаселении этнически обусловлены (Бромлей, 1969,1981,1983: Алексеев, 1982; Козлов, Чебоксаров, 1982). Это позволяет считать этнос основным типом подразделенной популяции в микроэволюции человека» эволюции его популяционных систем.

'' -ТяБлииа 3

Вклад этноса в генетическое разнообразие популяций («г (соотношение внутриэтнического и межэтнического разнообразия популяций)

Характеристики разнообразия Составляющие, . вхт Группы коренного народонаселения

СИБИРИ АМЕРИКИ 0.383 ЕВРОПЫ 0.445

Нт 0.427

Сет Компонешы С\т 11.56 10.99 1.75

ыежатюсмхкжг : . <-00 ш- Ый-

хп ш:

Едмшскет.Слг В среднем иежгооп т

жщ^гриттт/щщ: межэтническая боолаш« ™ ? 31% 1 27%" 42%:

СэТН-РЕГ % 67%

по регионам вмугрютшлеская Споп-этн % 33%

40% 30% 20% 10% 0%

, . Доли (в % от.би) межпопуляционного разнообразия ("кванты"), '

соответствующие идентичным уровням популяционцой системы в трех регионах |

В табл. 3 представлены результаты анализа трех популяционных систем одного исторического масштаба с учетом трех уровней организации: локальная популяция=> этнос=> регион. Различия в уровне межпопуляционного разнообразия максимальны в мировом масштабе: в Сибири и Америке в 6 раз выше, чем в

Европе. Весь уровень генетической изменчивости ((гет=1.75) между всеми народами Европы (от Норвегии до Испании, от Англии до Греции) оказывается меньше генетических различий популяций в пределах одной лишь сибирской народности (Сзт=3.58) или племени индейцев Америки ((гет=2.92). Однако даже в столь полярных генофондах доля внутриэтнического разнообразия одинакова - около одной трети общей изменчивости (в среднем - 33%).

б) "Стратиграфический" анализ генофонда. Выявленная закономерность - одинаковая доля от Сет - становится яснее при переходе к более полному родословному древу - с выделением в популяционной системе уровня лингвистических семей (рис.4). При этом становится очевидным, что закономерность распространяется и на вновь выделенные уровни: разнообразие этносов в пределах лингвистических семей и разнообразие лингвистических семей в регионе во всех генофондах составляют примерно ту же долю от Сгг, что и внутриэтническое разнообразие. Выявленная закономерность была обозначена как "эквидистантность" уровней популяционной системы.

26 ООО лет

ГкеЛ

"С^ттрафический" анализ совокупности современных популяций коренного

населения Сибири н Америки: каждому уровню популяционной системы . соответствуют одинаковые "пласты* бат» равные этническому "кванту" Сет

Еще яснее она проявилась при реконструкции наиболее древней (палеолитической) Сибиро-Американской общности (рис.5). При анализе единой системы современных популяций Сибири и Америки: популяции=> этносы=> лингвистические семьи=> регионы=> Сибиро-Американская общность - величины

Сет для каждого уровня популяционной системы примерно одинаковы: впоп-этн=25%, 0 )гн-л.с =27%, Сл.с.-рег=22%, Срег-общ=26%.

Т.о. "стратифафический" анализ популяционных систем показывает, что каждому уровню системы соответствует один и тот же "квант" Сзт'. слои межпопуляционного разнообразия, соответствующие каждому этапу эволюции генофонда, имеют тенденцию к равновеликости. Этот принцип эквидистантности был подтвержден на иных генофондах разных видов - от человека до зеленых черепашек (Инасаридзе, 1991; Алтухов, 1995; Алтухов и др., 1998; Балаиовская и др., 1998). Он указывает на общее свойство популяционных систем -"квачтуелшсти" межпопуляционного разнообразия. Эквидистантность отражает определенный принцип динамики популяционной системы. Равновеликость вклада каждого уровня означает, во-первых, генетическую равномерность процесса развития популяцпонной системы и, во-вторых, то, что возникновение каждого уровня лшмснешчсскон общности происходило но досшжспии определенных генетических различий между существовавшими в тот период элементарными популяциями - "кванта" - т.е. достижении такой культурно-исторической разобщенности между ними, при которой утрачивается сознание общности происхождения и этническое единство, что ведет к формированию нового уровня общности. При этом генетический механизм является регистрирующим, выполняя функцию генетической памяти о развитии популяционной системы. Для объяснения этого явления сформулирована и подтверждена реальными фактами (соответствие прогнозируемых и наблюдаемых мифаций) математическая модель "квантового" развития системы популяций - модель с отодвигающимся пределом Гбт (~(«.ЧТ). —

Т.о. феномен квантуемости селективно-нейтральной дифференциации определен в полном соответствии наиболее строгим требованиям: 1) получено эмпи: рическое обобщение в результате анализа наиболее различающихся и наиболее полно изученных популяционных систем; 2) эмпирическое обобщение подтверждено при анализе иных генофондов и иных видов живых организмов; 3) создана математическая модель популяционно-геметического механизма этого феномена; 4) модель проверена и подтверждена анализом независимых данных.

Принцип эквидистантности справедлив лишь для исторически сложившихся популяционных систем и лишь в том случае, если история формирования системы правильно отражена реконструкцией (например, лингвистической, расовой или конфессиональной классификациями), но "квантуемость" Рвт не имеет отношения

к произвольным совокупностям популяций. В какой степени совокупность популяций или их родословное древо отражают случайность, а не историю и родословные связи популяций, в такой же степени нарушена квантуемость генетической дифференциации. Такое же нарушение эквидисташности происходит и при разрушении популяционной системы (Алтухов, 1995) - происходит стирание генетической памяти генофонда, и он, как варвар из древнекитайских хроник, "не помнит прошлого, не думает о будущем".

в) Анализ селективно-нейтральной дифференциации народонаселении Суеверной F.epnuu. Фстгмеп квантуечости пгзволяет оценивай, масштаб генофонда: по количеству "квантов" в Gsirron популяционной системы в целом. Например, генофонды Сибири, Америки и Европы, несмотря на полярные различия в уровне Gstctotj, являются системами одного масштаба, поскольку вмещают три этнических кванта. Генофонд коренного населения Кавказа является системой того же масштаба (в "три кванта"): в популяционной системе - популяциям этнос=> раса=> регион - доли Gst составили 34%, 34%, 32% (Балановская и др., 1998). Анализ коренного населения Западной, Средней и Восточной Сибири демонстрирует совершенно иной масштаб генофондов: доля этнического кванта составляет около 61% Gst<tot) (рис.6). "Квантовый" анализ позволяет определить: а) все три субгенофонда Сибири являются популяционными системами одного масштаба (квант я const); б) иерархический ранг этих генофондов (1.6 кванта) примерно в два раза ниже ранга всей Сибири в целом (3 этнических кванта).

100% 80% 60% 40% 20%

0%.

42% I

/¡И 58% I

37%

63%

ЗАПАДНАЯ СИБИРЬ

СРЕДНЯЯ СИБИРЬ

37%

63%

ВОСТОЧНАЯ СИБИРЬ

¡□МЕЖДУ ПОПУЛЯЦИЯМИ ЭТНОСА □ МЕЖДУ ЭТНОСАМИ

Рис. 6

Соотношение внутри- и межэтнической дифференциации в субгеиофондах Сибири

Стратиграфический анализ был проведен для каждого из пяти генофондов С.Евразии (Сибирь, Средняя Азия, Урал, Кавказ, Европа) и субконтинента в целом. Укажем лишь один методически важный результат. Комплексное исследование - и статистическое (продемонстрированное выше), и картографическое -проведено дважды: по двум наборам генных маркеров. В "полный" набор вошла вся накопленная генетическая информация по 100 аллелям 30 наиболее изученных локусов. "Малый" набор генов в три раза меньше (34 аллеля 12 локусов), но обладает определенными - и не малыми - преимуществами: по этому набору генов изучены все генофонды; по нему изучено в два раза больше популяций; есть косвенные указания на селективную нейтральность его средней дифференциации.

В целом, стратиграфический анализ генофондов С.Евразии выявил много большую эффективность "малого" набора генов. Это указывает, что простое увеличение набора генов вовсе не гарантирует большую достоверность оценок генетической изменчивости. Необходимо учитывать и контролировать иные параметры выборки генов и популяций, рассмотренные в работе (кратко они указаны выше - в "общих положениях" комплексной технологии).

Аналогичный анализ проведен с помощью картографической технологии: ее использование позволяет учесть в стратиграфическом анализе важнейший атрибут популяции - ее ареал. По тем же исходным данным были построены две серии карт генофонда коренного населения С.Евразии. Первая серия - карты популяционной изменчивости (100 карт аллелей 30 локусов) - строилась по исходным популяционным частотам генов. Вторая серия - карты этнической изменчивости - 100 карт тех же генов, но по их этническим частотам. Разница между уровнем дифференциации популяционных и этнических карт указывает на величину этнического "кванта" Сет, рассчитанного с учетом ареалов.

Сравнительный анализ обеих серий карт проведен трижды: по "полному", "малому" и набору генов, удовлетворяющих строгому критерию полиморфизма (0.05< q<0.95). Показано, что учет ареала при картографическом анализе резко повышает устойчивость к различиям в наборе генов: "малый", "полный" и "полиморфный" наборы генов дают сходные оценки этнического кванта Сет С.Евразии: от 15.4% до 18.1% Сэт. Обнаружено, что картографическая оценка "кванта" С57 близка к оценке "кванта" этноса - 20.9% вйт, - полученного при стандартном статистическом анализе генофонда С.Евразии в целом (рис.7).

Рис,?

Сходство а оценке величины этнического "кванта" (Споп-эпюс) : ; при статистическом и картографическом анализе

Итак, с помощью предложенной технологии анализируется главная магистраль микроэволюции - селективно-нейтральный процесс формирования генофонда под действием факторов дрейфа генов и миграций. Выявленные <акопомер-ности указывают на "квантовый" характер селективно-нейтрального процесса в популяцнонных системах и являются инструментом анализа генофондов. Для каждой из систем размер "кванта" индивидуален: он обусловлен исторически сложившимся сочетанием генетического дрейфа и генного потока. Определить размер "кванта" можно с помощью простои процедуры - измерив селективно-нейтральную дифференциацию элементарных популяций в пределах этноса.

"Квант" дифференциации можно использовать как инструмент анализа селективно-нейтральной изменчивости: а) определять масштаб генофонда (по количеству "квантов" в Сэтггот) - дифференциации элементарных популяций всей популяцнонной системы); б) оценивать устойчивость популяционной системы (по сохранению генетической эквидистантности ее уровней); в) выявлять генетический фундамент реконструкций родословного древа популяций - лингвистических, расовых и иных классификаций (по выполнению принципа эквидистантности).

Однако, помимо общей судьбы, у каждого гена есть и свои особенности, которые формируются под действием третьего фактора - отбора. Третьей задачей работы и было выявление эффектов отбора через анализ пространственной изменчивости генофонда.

3. Технология выявления эффектов отбора

Анализ селективной структуры основан на факте неодинаковой изменчивости частот разных iciiob в одной и той же группе популяций, в одних и тех же условиях природной и социальной среды. Выше (раздел 2) показано, как, определив селективно-нейтральный уровень дифференциации Fsr « Gst (согласно концепции "обобщенного" гена), можно - по направлению и интенсивности отклонений FsT(i) i-ro гена от селективно нейтрального уровня Fst - выдвинуть гипотезу отбора и оценить его интенсивность: стабилизирующего отбора (для генов класса "LOWER DIFF" со сниженной изменчивостью Fst<d< Fst): условной нейтральности (для генов класса "NEUTRAL" с Fstí¡)~ Fst); дифференцирующего отбора (для генов класса "SUPER DIFF" с повышенной изменчивостью FSt(í)> Fst).

Таким образом, предложенный новый параметр генофонда - селективная структура генофонда - определяется типом и интенсивностью действия отбора на отдельные гены, составляющие генофонд.

Поскольку гипотеза отбора выдвигается по наличию достоверных отклонений от Fst, крайне важно провести эту операцию корректно. Поэтому мы разработали несколько вариантов технологии оценки отбора, причем каждая имеет свою сферу приложения. Требования к модельному объекту: изученность по максимально большому набору генов и максимальный охват пространственной изменчивости. Использованы данные о генофондах пяти частей света (по сводке Cavalli-Sforza, Piazza. 1993) и С.Евразии (Банк данных "GENE POOL") по 156 аллелям 40 локусов. Однако для обеспечения надежности оценок Fst® в анализ каждого генофонда включались лишь гены, удовлетворяющие строгому критерию полиморфизма: 0.05< q<0.95.

Разработанные технологии имеют две важные особенности, а) Выявлен истинный тип распределения опенок FsTtn в ряду i-тых генов. В обширной дискуссии по методу выявления отбора через гетерогенность FsT(i), предложенному в (Lewontin, Krakauer, 1973, 1975), наибольшее число возражений было связано с предположением нормальности распределения Fsto¡. Поэтому для генофондов всех частей света, С.Евразии и пяти ее субрегионов была проведена аппроксимация эмпирических распределений Fstco большим числом теоретических распределений (включая нормальное, логнормальное, Вейбулла и др.). Обнаружено, что лишь ß-распределения дают хорошую аппроксимацию

(1) Карта первом главной компоненты изменчивости генофонда современного населения Северной Евразии

1 «ОППОНЕНТА ИЗМЕНЧИВОСТИ ПАТЕРИЛЛЬНОЙ КУЛЬТУРЫ С.ЕВРАЗИИ 26-16 ТЫС./ЕТ НАЗАД

(2) Карта первой главном компоненты шменчивости материальном культуры верхнего палеолита С. Евразии (26-16 тыс. лет назад)

1ШШ1Ш11 11(1111 ГШ ШЧ I 1Ш1Ш1 ими

1П)111 ШШШШ N[[»11111 II 11Ш1П ГНИ М|11С1Н1| ичиги

-у*-ЛЬЕ----г—

МПЧППЛ I * Г 1 I ( 1 )

гтг г:

л» лт

Г" Г" 1

Г

Л

/V-—у. \

тт • .<ХХУ1

/ТАГ ш .Я«

ЛОЖ - .СГ»

П(п*-щпшеп1 ип»«11Ш», пмимп тнттеей тлиютл м ii i i i i • i <1111111 •1|1<||11>г 1 * г » __^

(4) Карта генетических расстояний по генам аутосомно-рецссснвной патолопги коренного паселешт Марий Эл (от среднсмаринсмпс значешш)

(табл. 4) эмпирических распределении Рвто-), причем во всех генофондах мира и независимо от иерархического ранга региона (Нурбаев, Балановская, 1998). Поэтому во всех технологиях достоверность действия отбора - через определение доверительных интервалов Гвт - оценивается согласно истинному р-распреде-леншо оценок Еятсо п конкретном генофонде (табл. 4).

Таблица -4

Парамет ры р-распределсний оценок межпопуляционного разнообразия Еято) • 10: н регионах мира и результаты аппроксимации ими эмпирических распределений

Регион Число оценок Степени свободы ' )кстремумы I7s1(¡) Среднее значение 1:st(¡) Доверительные интервалы I:sr при I' = 99% Достоверность аппроксимации

L d.f. MIN МАХ Fsr Fst - Fst + fy X2 Р

С.Евразии 93 62 1.75 25.13 6.78 5.03 9.68 24.06 0.9961

Европа 85 58 0.25 13.22 1.60 1.18 2.06 26.77 0.9999

Азия 88 60 0.01 54.77 8.01 5.41 12.02 35.62 0.9980

Африка 87 61 0.45 37.15 6.63 5.06 9.94 9.94 0.9997

Австралия 52 33 0.26 31.12 6.34 4.52 8.46 12.63 0.9993

Америка 65 42 2.76 35.78 11.34 9.05 14.23 20.48 0.9991

б) Моделирование выборочного процесса (бутстреппипг). Согласно концепции "обобщенного" гена Fst« F,=(4NeMt+l)"'. Степень приближения Fst к Ft зависит от репрезентативности выборки i-тых г енов. Для того, чтобы в оценке отбора п наименьшей степени зависеть от характера выборки генов, проводится моделирование выборочного процесса генов из генома. Для этого из всего набора генов (например, 93 полиморфных аллеля, изученных в населении С.Евразии, табл. 4). случайным образом берется выборка по 50 генов и попавшие в нее гены разносятся по классам селективной структуры (согласно реальному Р-распределению Fst«)- После того, как такая процедура случайного выборочного процесса повторена миллион раз, определяется уточненная структура отбора: гипотеза отбора выдвигается лишь в том случае, если в миллионе случайных выборок ген всегда попадал только в один и тот же класс селективной структуры.

Столь решительное требование позволяет отбирать именно те гены, для которых уверенно можно выдвшать гипотезу их подверженности отбору - эти гены относятся к уточненным классам селективной структуры: стабилизирующего отбора ("¡LOWER DIFF"), дифференцирующего отбора ("¡SUPER DIFF"). или же селективной нейтральности ("¡NEUTRAL"). Неустойчивые гены, которые в процессе моделирования попадали то в один, то в другой класс, помещаются в

межклассовые области "М-ЬО\\'ЕЯ" и "Р^-ЯиРГЛ" (табл. 5). Такая процедура проведена для генофондов всей ойкумены и для каждого из анализируемых генов выдвинута гипотеза о типе и интенсивности отбора.

Таблиц? 5

Результаты моделирования границ селективных классов методом "бутстрэппннг'Х 106 выборок по 50 маркеров при Р = 99%)

Репюны Доверительные интервалы Доверительные интервалы

Fst* -(межклассовая область 14 N-LOWER") Fe Fsrji + fcyi.k (межклассовая область "N-SUPER**)

MIN MEAN MAX MIN MEAN MAX

Fi An Fs Af-s f2 An Fj Aft Fd Af-d FA Afj

С.Евразия 4.42 0.56 5.1! 0.75 5.72 0.84 6.77 7.41 1.24 8.80 1.30 10.24 1.51

Европа 0.93 0.59 1.14 0.73 1.33 0.85 1.57 1.68 1.07 2.15 1.37 2.62 1.67

Азия 4.77 0.59 5.72 0.71 6.43 0.79 8.10 9.24 1.14 11.20 1.38 12.73 1.57

Африка 3.70 0.56 4.71 0.71 5.37 0.81 6.66 6.90 1.04 9.23 1.39 10.75 1.61

Австралия 4.38 0.69 4.67 0.74 4.S2 0.76 6.34 7.71 1.22 8.42 1.33 8.63 136

Америка 8.30 0.73 8.88 0.78 9.41 0.83 11.35 12.97 1.14 14.24 1.25 15.29 1.35

Субрегионы С. Евразии'.

Европ.часть 1.49 0.66 1.69 0.75 1.90 0.84 2.25 2.53 1.12 2.93 1.30 3.31 1.47

Кавказ 1.75 0.67 2.00 0.76 2.26 0.86 2.62 2.99 1.14 3.37 1.29 3.68 1.40

Урал 2.50 0.70 2.76 0.78 3.04 0.86 3.5S 4.06 1.14 4.50 1.27 4.90 1.38

Средняя Азия 1.S1 0.67 2.04 0.75 2.28 0.84 2.71 3.18 1.17 3.52 1.30 3.92 1.45

Сибирь 5.29 0.66 5.99 0.75 6.61 0.82 8.02 9.31 1.16 10.49 1.31 11.47 1.43

В среднем по регионам - 0.65 - 0.75 - 0.83 „ - 1.14 - 1.32 - 1.47

Примечания:

1) Везде значения FsT-cia im'lHK приводятся в виде Fsr*l(!;;

2) F| (Fi, Fi, Fj, F<, Fs.Fd) - MIN, MAX и средние (MEAN) значения Fsr-статисгик в межклассовых областях;

3) Д = F| / F,

4) подчеркнуты А, задающие наиболее строгие требования к выделению селективно-значимых генов.

в)Экспресс-диагностика отбора. При анализе уточненной селективной структуры обнаружено, что несмотря на резкие различия генофондов мира по структуре отбора, существует общая закономерность (Л « const), которая выполняется во всех генофондах - независимо от их иерархического ранга и состава населения. Эта закономерность позволила разработать процедуру экспресс-диагностики отбора. Пользуясь ей, достаточно иметь только две оценки - Fst(o для данного i-того гена и селективно-нейтральную оценку Fst - и можно без процедур аппроксимации и бутстреппинга ориентировочно оценить тип и интенсивность отбора.

Процедура экспресс-диагностики опирается на обнаруженное относительное постоянство показателей Д = Fj /Fe во всех генофондах (табл.5). Поскольку исследованием охвачена видовая изменчивость, то, используя экстремальные значения

Д (подчеркнуты в табл. 5), можно быстро определить наиболее строгие границы классов селективной структуры (табл. 6).

ТяКлиш 6

Схема экспресс-диагностики селективной структуры

П одразделения селекитнон структуры Границы подразделений Fstw Эффекты отбора

Символьные Числовые

класс ¡LOWER DIFF от Fstmt., до Fi ОТ FsT(n,ln> ДО 0.56 Fe Стабилизирующим и др. виды отбора, приводящие к достоверному снижению межпопуляционной дифференциации

область N-LOWER от Ft до Fj or 0.56 Fe до 0.86 Fe Межклассовая область

класс ¡NEUTRAL от Г: до Ft ОТ 0.86 F. до 1.04 F. Селективно-нейтральная изменчивость

область N-SUPER от Ft до Fj от 1.04 Fe до 1.67 F. Межклассовая область

класс ¡SUPER DIFF ОТ Fa ДО FsT(niax) ОТ 1.67 Fe ДО FsT( mix ) ифференцирующмй и др. виды отбора, приводящие к достоверному росту межпопуляционной дифференциации

Примечание:

Рмй- значения Км-с 1аIистнк для ¡-го гена; Еятоаь)- минимальное значение; Г--!{..и - максимальное значение.

Из ряда алгоритмов, представленных в работе, приведем лишь

АЛГОРИТМ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ ОТБОРА:

• Находится значение средней межпопуляционной изменчивости FsT~Fe (rio репрезентативной выборке генов) или непосредственно F. (по демографическим оценкам N, и 1\1,: по квазнгенетическим маркерам; через прямую оценку по селективно-нейтральным ДНК-маркерам).

• Определяются границы селективных классов по формулам:

F, = Дп • F, = 0.56 Fe;

F, = Д« . Fe = 0.86 F,;

F) = Дв • F, = 1.04 F,;

F< = Др4 • F, = 1 .67 Fe ;

• Согласно этим границам определяются значения Fst®, соответствующие

классам и межклассовым областям селективной структуры (табл. 6).

• Вся анализируемая выборка генов располагается по оси Fst<® - от FsT(nün) до Fst(i,u») - и распределяется по классам и межклассовым областям селективной структуры генофонда. Гены относятся к классам "¡LOWER DIFF", "¡NEUTRAL" и "¡SUPER DIFF" лишь в том случае, если оценка Fstm входит в них целиком со своим доверительным интервалом (вследствие выборочной ошибки). В иных случаях гены относятся к межклассовым областям.

• Для каждого гена можно рассчитать показатель интенсивности отбора Rs(,>

= М, • 5(1( = — -----. где Л', - среднегармонический эффективный

размер элементарных популяций генофонда: Э« - величина давления сибора на ¡-тын маркер, Гвтд - его межпопуляционное разнообразие, Р,« Г5т~ (4^М[+1)"1 - селективно-нейтральная дифференциация генофонда. • От шжгнателя интенсивности отбора Кч® = N»8(0 можно перейти к прямым опенкам величины давления отбора вд. если имеется информация о N

е данного

генофонда. Для этого достаточно иметь данные о цензовых размерах Nгщ Ьтых элементарных популяций. Используя соотношение 1/5IVж, приблизите.н им выполняемое практически во всех генофондах, получаем оценки Для получения необходимо использовать гармоническую среднюю ¡-тых элементарных популяций. Использование в качестве N

е иных средних, а также размера не элементарных, а подразделенных популяций, приводит к резкому завышению оценки N«11 занижению эффектов отбора.

г) Технология определения селективной структуры через показатель интенсивности отбора /?£■ Определение селективной структуры непосредственно через распределение 4.4«= N,8® в ряду ¡-тих генов является наиболее прямой и точной оценкой отбора £!<,> Для проведены те же процедуры, что и для Квто): проведена аппроксимация эмпирического распределения Нею теоретическими; показано, что наиболее адекватным является [{-распределение (с более резкой асимметрией, чем для Гчт): классы селективной структуры во всех генофондах определяются с помощью описанных выше процедур бутстреппинга и оценки доверительных интервалов средних по Р-распределепию.

Из серии полученных результатов укажем лишь один (табл.7): доля генов, подверженных отбору, в среднем составляет около 40%. Такое соотношение генов не зависит от иерархического ранга генофондов: для частей света доля селективно-значимых генов составила 38%, для субгенофондов Северной Евразии - 41%. В целом треть всех генов (32%) может быть уверенно отнесена к селективно-нейтральным, и 40% - к генам, подверженным действию отбора, из них 23'% -давлению стабилизирующего отбора, ¡7% - дифференцирующего.

Важно отметить, что такая же оценка доли генов, подверженных отбору (40%), получена Вошсоск с коллегами (Воисоск е1 а!.. 1991), хотя они использовали совершенно иные методы и анализировали ДНК-маркеры. По-видимому,

полученное соотношение достаточно устойчиво, поскольку не зависит ни от метода, ни от типа маркеров, ни от ранга региона, ни от состава его населения. Возможно, такая доля селективно значимых генов (около трети) отражает общий характер селективной эволюции генофонда.

Табли|И 7

Пропорции генов в классах селективной структуры генофондов мира

Генофонды N Классы селективной структуры (доли генов в %) Соотношения классов

генов ¡LOWER DIFF N- LOWE R ¡NEUTRAL N- SUPER ¡SUPER DIFF SEL/ £ LOW/ SUP SEL/ NEUT

Генпфопды мири:

С.Евразия 93 29.0 19.4 25.8 8.6 17.2 46% 1.7 1.8

Европа 85 35.3 16.5 29.4 4.7 14.1 49% 2.5 1.7

Азия 86 14.0 22.1 41.9 10.5 11.6 26% 1.2 0.6

Африка 87 19.5 21.8 35.6 6.9 16.1 36% 1.2 1.0

А встречая S2 9.6 . 23.1 44.3 us ll.S 21% 1)3 OS

Америка 65 16.9 24.6 33.8 6.2 18.5 35% 0.9 1.0

В среднем 83 22.9 20.9 . 33.3 7.4 15.5 38% 1.5 1.2

Субрегионы С. Евразии:

Европ.часть 85 24.7 20.0 27.0 11.8 16.5 41% 1.5 1.5

Кавказ 83 21.7 13.2 33.7 13.2 18.1 40% 1.2 1.2

Урал 79 25.3 16.5 30.4 10.1 17.7 43% 1.4 1.4

Ср. Азия 88 21.6 17.0 29.5 9.1 22.7 44% 0.9 1.5

Сибирь 79 16.5 20.2 34.2 8.9 20.2 37% 0.8 1.1

В среднем 83 22.0 17.4 31.0 10.6 19.0 41% 1.2 1.3

В среднем по 10 генофондам 83 22.5 19.1 32.1 9.0 17.3 40% 1.3 1.3

Примечание.

SEL/E = ("'LOWER DIFF"+"!SUPER DIFF")/ E("!LOWER DIFF"+"!SUPER DIFF"+ "¡NEUTRAL") = доля

селективно-значимых генов;

LOW/SUP = "¡LOWER DIFF"/"!SUPER DIFF" = соотношение между селективно-значимыми классами; SEL/NEUT = ("¡LOWER DIFF"+"!SUPER DIFF")/"¡NEUTRAL" = соотношение между селективно-значимыми и нейтральными генами.

Однако в каждом реальном генофонде эта модель реализуется по-своему, на что указывают коэффициенты соотношения генов в классах селективной структуры. По совокупности коэффициентов LOW/SUP и SEL/NEUT генофонды мира четко подразделяются на две группы (табл.7): высоких значений коэффициентов . (Европа и С.Евразия) и их низких значений (коренное население Азии, Африки, Австралии и Америки). Такие различия формируются за счет увеличения в Европе и С.Евразии доли генов, подверженных стабилизирующему отбору, и уменьшения

1 Генофонд Австралии исключен из расчета средннх, так как число исходных оценок слишком мало для корректного моделирования выборочного процесса генов из генофонда.

доли селективно-нейтральных генов. Наблюдаемую тенденцию можно объяснить из гипотезы, что социальная среда европейской цивилизации не столько служит экраном от воздействий природной среды (что должно было вызвать увеличение доли селективно-нейтральных генов), сколько является мощным фактором стабилизирующего отбора.

Для субгенофондов С. Евразии эта тенденция сохраняется. Два субгенофонда - коренного населения Европейской части и Урала - демонстрируют высокие значения обоих коэффициентов (LOW/SUP и SEL/NEUT). а в Сибири их значения минимальны. В населении Средней Азии лишь один из показателей (SEL/NEUT) достигает высоких значений. Коренное население Кавказа по обоим показателям является пограничным между "европейским" и "неевропейским" типами селективной структуры.

д) Различия в структуре отбора по биохимическим и иммунологическим генным маркерам демонстрируют рис.8 и 9 (в объединенный класс "NEUTRAL SUM" включены также гены межклассовых областей).

■ биохимические i □ иммунологические!

LOWER DIFF

NEUTRAL SUM

SUPER DIFF

Распределение биохимических и иммунологических маркеров по трем классам селективной структуры генофонда ОЙКУМЕНЫ

■ биохимические i

□ иммунологические!

LOWER DIFF

NEUTRAL SUM

SUPER DIFF

Распределение биохимических н иммунологических маркеров потрем классам селективной структуры С.ЕВРАЗИИ

Указано, какая доля (в %) от всех биохимических и какая доля (в %) от всех иммунологических маркеров находится в каждом классе селективной структуры. Достоверные различия между двумя типами маркеров достигаются за счет избытка биохимических маркеров в классе стабилизирующего отбора и недостатка их в классе дифференцирующего отбора. Т.о. выявляется сдвиг в структуре отбора по этим двум основным группам генетических маркеров: биохимические маркеры испытывают большее давление стабилизирующего отбора и в целом дают заниженную оценку дифференциации генофонда. Диапазон между оценками по двум типам маркеров в различных генофондах мира резко колеблется (и вновь генофонд С.Евразии наиболее полно отражает генофонд ойкумены в целом). Полученный результат важен с методической точки зрения: результаты сравнения различных генофондов могут зависеть от типа генных маркеров, использованных для анализа. При сопоставлении генофондов, изученных лишь по биохимическим маркерам, с генофондами, изученными по иным классическим маркерам, результаты сравнений могут демонстрировать методическую ошибку, а не с истинные различия между генофондами.

4. Геногеографическая технология изучения пространственной структуры генофонда Эта технология является самой разветвленной и сложной. Она включает создание компьютерных геногеографических карт на основе интерполяционной процедуры, их одно- и многомерный картографо-стагистический анализ, в результате которого создаются новые геногеографйческие карты закономерностей и связей. В целом технология является комплексной и позволяет вести геногеогра-фический анализ основных параметров генофонда. Основной целью при создании

■ любых геногеографических карт - отдельных признаков, их связей или синтетических карт - является моделирование и анализ пространственных закономерностей. Картографические модели являются чрезвычайно чувствительным инструментом с большой разрешающей силой. Например, они позволили выявить следы летописных славянских племен в антропологическом облике современного русского населения (Рычков, Балановская, 1988), в то время как традиционными методами антропологии фикснровался'лишь финно-угорский субстрат (тот пласт коренного

• населения, который был ассимилирован славянской культурой).

В связи с ограничениями объема, в работе приводятся лишь наиболее об- .

■ щие разделы технологии, позволяющие продемонстрировать ее возможности.

а) Статистическая информация геногеографической карты.

В основе карты лежит картографическая цифровая модель (ЦМ). На компьютерную картографическую основу (территории, акватории, гидросистема, государственные и этнические границы в заданных картографических проекции и масштабе) наносятся генетически изученные популяции (любая точка карты имеет точные географические координаты). Далее накладывается густая равномерная сеть, для каждого узла которой (а их обычно несколько тысяч) с помощью интерполяционной процедуры (ортогональные полиномы заданной степени) рассчитывается значение признака: с учетом всех популяций в пределах заданного радиуса. Такая операция производится независимо для каждого узла сетки. В результате получаем равномерную численную матрицу - цифровую модель (ЦМ) карты. Далее с ЦМ -как с обычными матрицами - можно проводить любые расчеты и преобразования, получая количественные оценки связей и закономерностей. При этом принципиально важно, что карга становится не.илл10странией. а методом количественного анализа пространственной изменчивости генофонда. В статистической легенде карты (см. вклейку) указываются: К - число исходных популяций; N - число узлов сетки в картируемом ареале; экстремальные (MIN, МАХ) и средние значения признака (М), его дисперсия (S2); для генов - показатели генного разнообразия (Нт. Hs, Gst). При переходе от ЦМ к карте, объединяем значения матрицы в равномерные интервалы (шкала и % площади, занятый каждым интервалом шкалы, указаны в легенде). Карта читается как обычная географическая карта - от минимума значений к максимуму. На картах низкие значения признака обозначены синим (как морские впадины), средние значения - зеленые равнины, высокие значения - коричневые горы. Важно подчеркнуть, что карта вносит коррективы в исходное распределение признака (этот вопрос подробно рассматривается в работе), поскольку учитывает важнейший атрибут популяции - ее ареал. Т.о. карта и ее статистические параметры несут новую информацию, обусловленную учетом ареала и пространственных взаимоотношений популяций. В работе демонстрируется. как на основе этой информации можно провести комплексный анализ с помощью основных трех инструментов популяционной генетики - распределения частот генов, генетического разнообразия и селективной структуры.

б) Статистическая трансформация геногеографической карты. Чтобы выявить основные закономерности в изменчивости отдельного гена (аллеля) или генофонда в целом, мы вновь обращаемся не к интервалам, а к

точным значениям 1Д1М, с которой и производим любые преобразования: возведения в степень (карта гомозигот), умножения (карта гетерозиготности). сложения карт и деления (получение средней карты), расчета корреляций между картами (ранговых, частных, множественных) или корреляции карты с широтой и долготой местности: картографирование инбридинга, дрейфа генов, генетических расстоянии, главных компонент, межпопуляционного разнообразия и т.д. Приводятся примеры использования трансформации карт для анализа гетерозиготности локусов НЬА-А, НЬА-В, НЬА-С; генетического риска иммунологического конфликта матери и плода; взаимодействий различных групп народонаселения, след которых сохранен в географии славянских генофондов.

в)Вычленение трендовых поверхностей. Эта технология позволяет подразделять изменчивость карты на две составляющие: основных закономерностей (трендовая карта) и случайной изменчивости (остаточная поверхность).

При моделировании основных закономерностей с помощью аппроксимирующих функций (ортогональных полиномов Чебышепа) мы получаем серию трендовых карт. Согласно (Берлянт, 1969, 1986), аппроксимация первым порядком многочлена Чебышева моделирует моноклинальные поверхности, выявляющие основное направление генного потока, пронизывающее весь генофонд. Аппроксимация многочленами второго порядка моделирует явления, распространяющиеся из одного центра с уменьшением градиента частоты признака по мере удаления от него. Многочленом третьего порядка аппроксимируется поверхность интерференции, создаваемой двумя центрами. Анализ показал, что для геногео-графических карт с их сложным рельефом, сформировавшимся под действием многих факторов, необходимо использование более сложных аппроксимирующих функций: степень оптимальной аппроксимирующей поверхности ортогонального многочлена Чебышева должна быть на единицу больше наблюдаемого числа локальных экстремумов исходной карты.

Другой способ получения серии трендовых карт обеспечивается специально раазработанной техникой "плывущего окна": задается размер прямоугольного окна на Ц1Ч, по его площади рассчитывается среднее значение, которое присваивается центральному узлу окна. Далее окно "скользит" всего на один узел ЦМ и процедура повторяется. После того, как каждый узел ЦМ побывал центром окна, мы получаем новую "усредненную" карту, с которой стерты "случайные черты". При небольшом размере окна мы стираем незначительные флуктуации генных частот. С увеличением размера окна - меняя масштаб осреднения - мы как бы

вскрываем все более глубокие подстилающие пласты генофонда и более устойчивые тенденции генетического процесса. Однако платой за это является потеря трендовой картой информации о всех локальных особенностях процесса эволюции генофонда. Поэтому наиболее оправданно создание серии карт разного масштаба осреднения, позволяющих обсуждать исходную карту в терминах закономерностей, тенденций, локальных особенностей и аномалий.

Создана также более сложная технология "плывущего окна" с меняющимся размером (Changing Window): в разных частях одной и той же карты окно принимает различные размеры в зависимости от обеспеченности ареала исходной информацией или иных заданных параметров.

г) Картографирование показателей связи и изменчивости. Использование технологий "плывущего окна" позволяет создавать принципиально новые карты, например, корреляций: в пределах окна заданного размера вычисляется коэффициент корреляции между двумя каргами и полученный коэффициент присваивается центральной точке окна. После повторения процедуры для всех узлов ЦМ. получаем карту корреляций. Традиционно исследователь использует для анализа единственный коэффициент корреляции на весь ареал. Карта демонстрирует интенсивность связи в каждой точке пространства и позволяет анализировать пространственную изменчивость связей. Приведем распространенный пример. Коэффициент корреляции между картами двух признаков близок к 0, из чего делается вывод об отсутствии связи между признаками. Карта корреляций обнаруживает ошибочность этого вывода: половина ареала занята значениями корреляций р и - 1, другая половина - значениями р и +1, и лишь узкий коридор между ними - промежуточными р и 0. Т.о. карта обнаруживает не только высокую связь между признаками, но и ее пространственную изменчивость: наличие двух областей с противоположным направлением связи, что позволяет искать факторы, определяющие взаимодействие признаков.

Показано, как аналогичная процедура "плывущего окна" используется для анализа совокупности карт: для создания карт частных и множественных корреляций, карт общей и межпопуляционной изменчивости и т.д.

д)Геногеография главных компонент. Использование традиционного инструментария главных компонент при анализе генофондов наталкивается на непреодолимые трудности: необходимо, чтобы большое число популяций было изучено по одному и тому же большому набору генов. Генетическая изученность

же населения такова, что в населении Восточной Европы (анализируемого в данном разделе) не оказалось ни одной популяции, изученной по всему анализируемому набору генов (100 аллелей 30 локусов). В такой ситуации карты генов являются незаменимым инструментом: в результате интерполяционной процедуры в каждом узле ЦМ содержится прогноз частоты каждого гена, а с помощью теории надежности (Нурбаев, Балановская, 1997, 1998) оценивается вероятность такого прогноза. Геногеография позволяет не только провести процедуру расчета главных компонент (с учетом надежности), но и увидеть их изменчивость в географическом пространстве. Каждая из "синтетических" карт главных компонент (см.. например, карты 1,2 вклейки) отражает пространственную динамику новых обобщенных признаков генофонда, имеет свой генетический ландшафт и выдвигает на первый план особый исторический сценарий (Cavalli-Sfor/a. Piazza. 1993).

Однако разработанная технология позволяет сделать и следующий шаг: перейти от географического пространства карт к пространству главных компонент. При этом создаются новые возможности для анализа пространственной изменчивости генофонда: поскольку на диаграмме представлен!,i все "надежные" узлы карты и указана их этническая принадлежность, то этнос представлен в пространстве главных компонент не точкой, а всеми вариациями популяций в пределах этнического ареала. Степень компактности "этнических облаков", их пространственного соотношения, перекрывания несет, как показано в работе, важную информацию о взаимодействии генофондов. Поскольку взаиморасположение популяций измеримо в строгих терминах многомерных генетических расстояний, пространство главных компонент дает количественную интерпретацию закономерностей синтетических карт.

е) Возможности геногеографической технологии продемонстрируем на трех примерах (см. цветную вклейку).

• Генетическая память генофонда. Карта первой главной компоненты изменчивости генофонда коренного населения С.Евразии (карта 1) построена на основе карт наиболее изученных генов (100 аллелей 30 локусов). Она демонстрирует тренд, который пронизывает весь генофонд в направлении «запад-восток» и соответствует основному направлению исторического процесса в этой части Евразии. Поэтому можно предположить, что эта карта отражает основной вектор

истории - на протяжении всего времени развития населения этого региона шло взаимопроникновение двух генофондов - европейского и азиатского.

Такая интерпретация была недавно подтверждена самой необычной нашей картой (карта 2) - первой компоненты материальной культуры палеолита (период - 26-16 тыс. лет назад). Картографировалось распространение всех основных элементов палеолитической культуры - характеристики орудий труда, жилища, орнамента, объектов охоты. На основе этих карт построены карты главных компонент, выявляющие наиболее общие черты пространственной изменчивости культуры палеолита (не генофонда). Примерно по 70-му меридиану проходит резкая граница между двумя крупнейшими палеолитическими провинциями -Европейской и Сибирской. Поражает удивительное сходство с картой первой же компоненты, но современного генофонда (карта I) - лишь граница между европейским и сибирским генофондами становится широкой и размытой. Двадцать тысяч лет истории населения Евразии не стерли различия между этими двумя провинциями: генофонд хранит память о своей истории.

• Геногеография и отбор. Карта (3) демонстрирует географию гена первичной ншолактазии (ЬАС*Я) в населении Старого Света (Козлов и др., 1998). Этот рецессивный ген в гомозиготе приводит к снижению активности лактазы у взрослых, что проявляется в непереносимости цельного молока. Существует гипотеза, что этот аллель был эволюционно исходным и отбор шел в его пользу. Распространение молочного животноводства выдвинуло противоположный отбор, что привело к резкому снижению частоты исходного гена.

Действительно, районы наиболее низких частот гена гиполактазин ЬАС*Н приходятся на побережья Северного и Балтийского морей - частота гена около 1%. У народов Урала его частота возрастает до 70-80% и далее достигает 95%. Однако лишь на отдельных участках северной Европы наблюдаемый градиент коррелирует с интенсивностью молочного хозяйства. Общая географическая закономерность, демонстрируемая картой, ставит под сомнение основную гипотезу - жесткой связи частоты этого гена с традицией молочного животноводства.

Карта выявляет еще одну особенность - дифференциация гена не только чрезвычайно велика, но для населения Европы она уникальна - Гбтй^Ю2 =17! Это значение на порядок выше селективно-нейтральной изменчивости популяций этого региона. Ни по одному из генетических маркеров, изученных в народонаселении Европы (см. раздел 3), не наблюдается столь высокой межпопуляционной

дифференциации. Исходя из этого, можно утверждать, что в Европе наблюдается мощный дифференцирующий отбор по гену первичной гиполактазии ЬАС*К, который занимает крайнее положение в селективной структуре генофонда. Вопрос о природе столь мощного дифференцирующего отбора остается открытым.

С методической точки зрения важно подчеркнуть необходимость комплексного анализа: без включения данных о селективной структуре сама геногеография не указывала на действие дифференцирующего отбора. Напротив, градиент частот гена почти полностью соответствует направлению селективно-нейтрального процесса - истории формирования населения этого региона.

•Геногеография редких генов. Подчеркнем, что технология картографического моделирования применима не только на глобальном уровне, но и на уровне популяций любого ранга. Еще важнее, что она применима не только к полиморфным маркерам, но и к тем, которые находятся под таким полным контролем со стороны отбора, что их частоты близки к скорости мутаций.

Например, при изучении коренного населения Марий Эл, было обнаружено, что синтетическая карта генов наследственной патологии (карта 4) обнаруживает высокую и достоверную связь с синтетической картой классических генных маркеров: р = 0.60. Карта генетических расстояний "нормального" генофонда мари демонстрирует те же основные пространственные закономерности, что и карта генов наследсгвеннон патологии. Поскольку изменчивость генофонда в целом задается факторами миграций и дрейфа генов, то можно утверждать, что эти факторы определили географическую изменчивость не только классических, но и генов наследственной патологии.

Сам уровень пространственной изменчивости генов наследственной патологии на несколько порядков ниже, чем нормальных генов: мощное давление отбора вызывает резкое снижение уровня дифференциации. Однако при этом характер пространственной изменчивости, его география остаются неизменными. Иными словами, если отбор действует независимо от географии, то даже гены, подверженные жесгкому отбору, следуют тем же законам пространственной изменчивости, что и селективно-нейтральные гены, то есть законам, определяемым факторами миграции и дрейфа генов.

Аналогичные выводы получены при анализе картографическом иной группы редких генов - квазигенетических маркеров (фамилий).

выводы

1. Разработан новый комплексный подход к изучению географической дифференциации и факторов микроэволюцин популяций. Он включает четыре технологии, соединяющие в себе новые методы анализа селективно-нейтрального процесса, селективно-значимого процесса, картографического и комплексного анализа генофонда, алгоритмы этих методов и оригинальное программное обеспечение.

2. Исследование селективно-нейтральной микроэволюции генофонда под действием факторов дрейфа генов и миграций проведено для коренного населения Америки, Сибири, Европы, Северной Евразии и пяти се субрегионов. Методами статистического и картографического анализа выявлена ведущая роль этнического уровня организации популяций в их селективно-нейтральной эволюции, выявлена "квантуемоегь" межпопуляционного разнообразия и генетическая эквидистантность уровней популяционной системы, создана математическая модель дифференциации популяций (модель с отодвигающимся пределом Рят), определены методические требования к организации исходных данных - выборкам популяций и генов.

3. Основу технологии изучения селективно-нейтральной микроэволюцин составляют концепции "обобщенного гена", популяционных систем и "квантуемое™" межпопуляционного разнообразия. Технология включает анализ средней по репрезентативной выборке генов межпопуля! тонной дифференциации генофонда, "стратиграфический" анализ генетической дифференциации популяционной системы, картографический анализ вклада этнического уровня в генетическое разнообразие популяций.

4. Исследование селективно-значимой микроэволюцин генофонда под действием фактора отбора проведено для коренного населения пяти частей света и пяти регионов Северной Евразии. В каждом из генофондов изучена гетерогенность Ебт! оценок межпопуляционного разнообразия по разным генам. Показано, что во всех генофондах распределение Евтю соответствует ^-распределению. В каждом из регионов выдвинуты гипотезы о типе и интенсивности отбора для полиморфных маркеров (> 80 генов). Обнаружено, что в среднем треть генов является селективно-нейтральной, 40% - подвержены отбору (23% - стабилизирующий отбор, 17% -дифференцирующий). Выявлено, что на гены биохимического полиморфизма действует более мощный стабилизирующий отбор, чем на прочие "классические" генетические маркеры.

5. Технология изучения селективно-значимой микроэволюции основана на оценке достоверности отклонения Рвто) ¡-того гена от Кет "обобщенного гена".

Технология включает оценку параметров р-распределения Рэто") и методы численного ресэмплинга. Разработаны варианты оценки селективной структуры генофонда, имеющих различные сферы приложения. Разработана процедура экспресс-дпагностикп отбора.

6. Комплексное исследование микроэволгоции подразделенной популяции проведено для коренного населения девяти основных нсторико-географическнх регионов мира и ойкумены в целом. Технология комплексного анализа подразделенной популяции объединяет три основных инструмента популяционной генетики -анализ частот генов, генетического разнообразия и структуры отбора. Технология объединяет модификации традиционных популяциоино-генетическнх методов. Исследование проведено на едином - этническом - уровне организации и единой репрезентативной выборке генов (49 аллелей 20 наиболее изученных локусов). Проведен сравнительный анализ эмпирических и теоретических распределений частот генов, генетических расстояний, показателей генетического разнообразия (Рят, Нт, Не), структуры отбора. Дана комплексная характеристика основных генофондов мира.

7. Компьютерная технология картографического изучения генофонда создана в соответствии с высокими требованиями комплексности и универсальности. Карто1рафнческое моделирование проводится на основе интерполяционной процедуры; результатом является построение цифровой модели карты (равномерной матрицы), позволяющей проводить ее преобразование и анализ. Технология обеспечивает многовариантность создания картографической модели, карто|рафо-статисгичсский анализ отдельных признаков, их совокупностей, основных закономерностей и связей; анализ различных генофондов н признаков разной природы; различные виды одно- и многомерного статистического анализа - от преобразований отдельной карты до создания карт главных компонент п генетических расстояний.

8. Картографическое изучение пространственной изменчивости генофонда проведено на различных уровнях организации популяций - от отдельного этноса до генофонда Евразии. Созданы карты отдельных генов, их совокупностей и закономерностей их географической изменчивости. Построены картографические модели различных параметров структуры генофонда: генетических маркеров, наследственной патологии, фамилий, гетерозиготностн, дрейфа генов, инбридинга, факторов среды, материальной культуры палеолита. Созданная технология позволила провести картографический анализ закономерностей в пространственной изменчивости генофондов.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ТРУДОВ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Рычков Ю.Г., Ящук (Балановская) Е.В. Генетика и этногенез // Вопр. антропологии. 1980. Т.64. С.23 -39.

2. Рычков Ю.Г., Ящук (Балановская) Е.В.. Веселовская Е.В. Генетика и этногенез. О генетической прапамяти систем коренного населения Северной Азии и Америки II Вопр. антропол. 1982. Т.69. С.З - 18.

3. Рычков Ю.Г., Ящук (Балановская) F.B. Генетика и этногенез: Состояние и тенденции генетического процесса в связи с особенностями развитие народонаселения Европы (зарубежной) // Вопр. антропол. 1983. Т.72. С.З - 17.

4. Рычков Ю.Г., Ящук (Балановская) Е.В. Генетика и этногенез. Историческая упорядоченность генетической дифференциации народонаселения: модель и реальность II Вопр. антропол. 1985. Т.75. С.97 - 116.

5. Rychkov Yu.G., Yashchuk (Balanovskaya) E.V. Historical regulation of genetic differentiation of human populations (Model and reality) И Genetic MicrodifTerentiation in Human and Other Animal Populations. Proc. Intern. Symp. Indian anthropologist. 1985. V.l. P.2I9 - 232.

6. Рычков Ю.Г., Балановская Е.В. Генетическая память об этногенезе//Этические связи народов севера Азии и Америки (по данным антропологии) / Ред. М.С. Великанова, И.М.Золотарева. М.: Наука, 1986. С.149 - 166.

7. Рычков Ю.Г., Балановская Е.В. Обобщенный картографический анализ в антропологии. Отражение летописных славянских племен в антропологической географии современного русского населения II Вопр. антроп. 1988. Т. 80. С.З-37.

8. Балановская Е.В., Рычков Ю.Г. Геногеография: Гены человека на карте СССР. М.: Знание. 1990. 64 с.

9. Балановская Е.В., Батсуурь Ж., Белковский А.Н., Рычков A.B., Рычков Ю.Г. Геногеография народонаселения: создание регионального геногеографического атласа с помощью ЭВМ // Генетика. 1990. Т.26. № 5. С.925 -935.

10.Рычков Ю.Г., Рычков A.B., Балановская Е.В., Батсуурь Ж., Белковский А.Н., Будилова Е.В., Терехин А.Т. Геногеография народонаселения: опыт компьютерного картографирования популяционно генетических данных // Генетика. 1990. Т.26. С.332-340.

П.Рычков Ю.Г., Балановская E.B. Генетическая дифференциация народонаселения: прогнозируемы ли данные о полиморфизме ДНК исходя из иммунобиохи-мического полиморфизма // Молекулярно-генетические механизмы эволюции.М.:Наука, 1990. С.67 -83.

П.Рычков Ю.Г., Балановская Е.В. Генофонд и геногеография народонаселения СССР// Информ. материалы Программы "Человек, наука, общество: комплексные исследования". Подпрограмма 3. "Диалектика социального и природного в развитии человека и его отношениях с миром". Вып. 1. М., 1990. С.7-17.

13.Балановская Е.В., Рычков Ю.Г. Этническая генетика: Этногеографическое разнообразие народов мира // Генетика. 1990. Т.26. № I. С.114 - 121.

14.Рычков Ю.Г., Балановская Е.В. Этническая генетика: Соотношение адаптивной и нейтральной генетической дифференциации этносов // Генетика. 1990. Т.26. №3. С.541 -549.

15.Балановская Е.В., Рычков Ю.Г. Этническая генетика: Адаптивная структура генофонда народов мира по данным о полиморфных генетических маркерах человека // Генетика. 1990. Т.26. № 4. С.739 - 748.

16.Рычков Ю.Г., Балановская Е.В. Генофонд и геногеография населения СССР // Генетика. 1992. Т.28. С.52 -75.

17.Рычков Ю.Г., Балановская Е.В. Возможности геногеографии в изучении генофонда человека // Информ. материалы Программы "Человек, наука, общество: комплексные исследования". 1992. С.87 - 96.

18.Рычков Ю.Г., Балановская Е.В. Генетический ключ к эволюционной и исторической аитропоэкологии // Историческая и эволюционная антропоэкология.

1994. С.153- 171.

19. Балановская Е.В.. Нурбаев С.Д., Рычков Ю.Г. Компьютерная технология геногеографического изучения генофонда. 1. Статистическая информация карт //Генетика. 1994. Т.ЗО. №7. С.951-965.

20.Балановская Е.В., Нурбаев С.Д., Рычков Ю.Г. Компьютерная технология геногеографического изучения генофонда. II. Статистическая трансформация карт// Генетика. 1994. Т.ЗО. № II. С.1538 - 1555.

21.Балановская Е.В., Нурбаев С.Д. Компьютерная технология геногеографического изучения генофонда. III. Вычленение трендовых поверхностей // Генетика.

1995. Т.31. №4. С.536-559.

22.Балановская E.B. Возможности компьютерной геногеографии в изучении генофонда // Генетика. 1995. Т.31. Приложение. С. 12.

23.Рычков Ю.Г., Балановская Е.В. Концепция эколого-генетического мониторинга населения России // Успехи современной генетики. Вып. 20. М.: Наука, 1996. С.3-38.

24.Рычков Ю.Г.. Балановская Е.В., Жукова О.В., Нурбаев С.Д.. Шнейдер Ю.В. Генофонд, геногеография и заболеваемость населения (по данным о Северной Осетии) // Успехи современной генетики. Вып. 20. М.: Наука, 1996. С. 113 - 160.

25.Грехова JI.B., Балановская Е.В., Рычков Ю.Г. Разработка технологии создания компьютерных региональных археологических атласов: поздний палеолит Северной Евразии // Гуманитарная наука в России: Соросовские лауреаты (История. Археология. Культурная антропология и этнография). М.: 1996. С.286 - 304.

26.Балановская Е.В., Иноземцева B.C., Нурбаев С.Д.. Перепелов A.B., Петрин А.Н., Руденская Г.Е.. Ситников В.Ф. Региональные особенности наследственных заболеваний нервной системы // Регионология.1996. № 2 (15). С.153 - 161.

27.Перепелов A.B., Иноземцева B.C., Петрин А.Н., Ситников В.Ф., Нурбаев С.Д., Балановская Е.В., Руденская Г.Е. Наследственные болезни нервной системы в Мордовии // Генетическая эпидемиология наследственных болезней нервной системы. Саранск, 1996. С.97 - 112.

28.Петрин А.Н., Перепелов A.B., Ситников А.Ф., Руденская Г.Е., Нурбаев С.Д., Балановская Е.В. Наследственные болезни нервной системы в Мордовии // Генетика. 1997. Т.ЗЗ. № 7. С.836 - 843.

29.Рычков Ю.Г., Балановская Е.В., Нурбаев С.Д. Историческая геногеография Восточной Европы // Тр. Международного симпозиума памяти В.П. Алексеева "Горизонты антропологии". М.: Русский мир, 1997. С. 152- 162.

30.Балановская Е.В., Грехова Л.В., Рычков Ю.Г. Компьютерная геногеография и археология: методы картографического моделирования распространения материальной культуры // Тр. Международного симпозиума памяти В.П.Алексееква "Горизонты антропологии". М.: Русский мир, 1997. С.54 - 62.

3!.Балановская Е.В., Нурбаев С.Д. Геногеография и генофонд. Пространство главных компонент // Новые методы - новые подходы в современной антропологии. М.: Старый сад, 1997. С.99 - 115.

32.Нурбаев С.Д., Балановская Е.В. Геногеография и генофонд. Оценивание надежности карты // Новые методы - новые подходы в современной антропологии. М.: Старый сад, 1997. С.116-132.

33.Балановская Е.В., Рычков Ю.Г. Генофонд человека на этапах освоения ойкумены: адаптивная эволюция и геногеография // Тр. междунар. симпозиума "Глобальное расселение гоминид". М., 1997. С.77 - 94.

34.Балановская Е.В., Нурбаев С.Д. Компьютерная технология геногеографическо-го изучения генофонда. IV. Популяции в пространстве главных компонент // Генетика. 1997. Т.ЗЗ. №12. С.1693 - 1710.

35.Балановская Е.В., Нурбаев С.Д. Селективная структура генофонда. I. Boi-можносги изучения И Генетика. 1997. Т.ЗЗ. №11. С.1572 - 1588.

36.Балановская Е.В., Нурбаев С.Д. Селективная структура генофонда. II.Стандартная технология определения через Fst-статистики // Генетика. 1998. Т.34. № Щ. С. fiQi-

37.Балановская Е.В., Нурбаев С.Д. Селективная структура генофонда. III. Технология определения через Fst-статистики с помощью численного ресэмплинга // Генетика. 1998. Т.34. № I(ft С. ШЪЧ- 1ЧЧ6.

38.Балановская Е.В., Нурбаев С.Д. Селективная структура генофонда. IV. Технология определения через показатель интенсивности отбора Rs // Генетика. 1998. Т.34. №1|.

39.Нурбаев С.Д.. Балановская Е.В. Компьютерная технология геногеографиче-ского изучения генофонда. V. Оценивание надежности карт//Генетика. 1998. Т.34. № 6. С.825 - 838.

40.Балановская Е.В., Нурбаев С.Д., Почешхова Э.А. Генофонд Кавказа в контексте расы // Раса: миф или реальность? Тр. 1 Междунар. конф. РО Европ. антропол. ассоциации. М.: Старый сад, 1998. С.21 - 22.

41.Нурбаев С.Д., Балановская Е.В. Межпопуляционное разнообразие генофонда: аппроксимация ß-распределением // Генетика. Т.34. № 7. С.837 - 841.

42.Козлов А.И., Балановская Е.В., Нурбаев С.Д., Балановский О.П. Геногеогра-фия первичной гиполактазии в популяциях Старого Света II Генетика. 1998. Т.34. № 4. С.551 - 561.

43.Гинтер Е.К., Мамедова P.A., Козлова С.И., Галкина В.А., Мошкпна И.С.. Руденская Г.Е.. Хлебникова О.В., Нурбаев С.Д., Балановская Е.В., Рассанов В.Г1. Разнообразие наследственной патологии у населения республики Марий Эл и ее дифференциация по частотам генов наследственных болезней // Генетика. 1998. Т.34. № 7. С.963 - 972.

Участок множительной техники ОНЦ РАМН

Подп. к печати

Заказ 20 4

Тираж ^ 00 экз.

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Балановская, Елена Владимировна, Москва

//

v../ v'

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ МЕДИЦИНСКИХ НАУК МЕДИКО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

БАЛАНОВСКАЯ Елена Владимировна

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗУЧЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ГЕНОФОНДА

03.00.15 - Генетика

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

у

-/ Л

Научный консультант: член-корреспондент РАМН, профессор ГИНТЕР Евгений Константинович

МОСКВА, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Глава 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.................................................1

1.1. Актуальность проблемы ...........................................................................1

1.2. Цель и задачи исследования .....................................................................3

1.3. Научная новизна и практическая значимость...........................................4

Глава 2. ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К ИЗУЧЕНИЮ ГЕНОФОНДА.....................7

2.1. Проблематика ареальной генетики...........................................................7

2.2. Концепция "обобщенного гена"...............................................................11

2.3. Принципы определения селективно-нейтральной изменчивости популяций...............................................................................................14

2.3.1. Оценка селективно-нейтральной дифференциации Ре.................14

2.3.2. Свойства и надежность усредненных оценок Бзт........................21

2.3.3. Дискуссионные моменты тестов на селективную нейтральность.23 Глава 3. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИАЛА.....................................28

3.1. Репрезентативность выборки генных маркеров......................................29

3.2. Полиморфизм генных маркеров.............................................................32

3.3. Единый уровень популяционной системы...............................................35

3.4. Общая характеристика материалов и программного обеспечения..........38

3.5. Картографическая информация..............................................................41

Глава 4. КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ

ИЗМЕНЧИВОСТИ МИРОВОГО ГЕНОФОНДА................................47

4.1. Сравнительный анализ генных частот....................................................50

4.1.1. Эмпирические распределения частот генов в населении мира ....52

4.1.2. Сравнение теоретических селективно-нейтральных распределений с эмпирическими распределениями частот генов..............53

4.1.3. Генетические расстояния (по частотам генов)..............................62

4.2. Генетическое разнообразие народов мира...............................................68

4.2.1. Пространственная изменчивость общего генного разнообразия Нт и гетерозиготности Ш.............................................................69

4.2.2. Пространственная изменчивость межпопуляционного разнообразия Рзт...........................................................................71

4.3. Селективная структура генофонда народов мира....................................77

4.3.1. Метод определения селективной структуры генофонда..............78

4.3.2.Изменчивость селективной структуры в пространстве ойкумены.81

Глава 5. СЕЛЕКТИВНО-НЕЙТРАЛЬНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ

ГЕНОФОНДА.........................................................................................88

5.1. Закономерности селективно-нейтрального процесса в популяционных системах...................................................................................................89

5.1.1. Феномен "квантуемости" межпопуляционного разнообразия.....91

5.1.2. Модель "квантового" развития популяционной системы..........100

5.2. Селективно-нейтральная дифференциация народонаселения Северной Евразии..................................................................................107

5.2.1. Вклад этноса в межпопуляционное разнообразие субрегионов Северной Евразии........................................................................109

5.2.2. Картографический анализ вклада этноса в дифференциацию населения Северной Евразии.......................................................116

Глава 6. ТЕХНОЛОГИЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ЭФФЕКТОВ ОТБОРА.......................124

6.1. Принципы выявления эффектов отбора через анализ межпопу ляци-онной изменчивости генов.....................................................................125

6.2. Модельный объект и техника оценки эффектов отбора........................130

6.3. Стандартная технология определения селективной структуры через FsT-статистики.......................................................................................134

6.3.1. Оценка границ селективных классов..........................................134

6.3.2. Алгоритм стандартной оценки селективной структуры.............135

6.3.3. Ограничения при использовании стандартной оценки селективной структуры ................................................................136

6.4.Технология определения селективной структуры через Fsi-статистики с помощью численного ресэмплинга........................................................139

6.4.1. Коррекция оценки селективной структуры.................................139

6.4.2. Экспресс-диагностика селективной структуры..........................144

6.5. Технология определения селективной структуры через показатель интенсивности отбора Rs.......................................................................149

6.5.1. Распределение показателя интенсивности отбора Rs в генофондах мира...........................................................................149

6.5.2. Уточненная оценка селективной структуры генофонда.............151

6.6. Различия в структуре отбора по биохимическим и иммунологическим генным маркерам...................................................................................157

6.7. Применение технологии оценки селективной структуры......................161

Глава 7. ГЕНОГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗУЧЕНИЯ

ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ГЕНОФОНДА.............................166

7.1. Статистическая информация геногеографической карты.....................167

7.1.1. Сравнение исходных и картографированных значений признака.......................................................................................170

7.1.2. Средняя частота и вариационный размах признака...................173

7.1.3. Показатели генного разнообразия карты...................................174

7.2. Статистическая трансформация карт....................................................177

7.2.1. Методы статистической трансформации карт...........................177

7.2.2. Картографирование гетерозиготности ......................................178

7.2.3. Картографирование риска генетической несовместимости.......184

7.2.4. Картографирование генетических расстояний...........................188

7.3. Выявление трендов в пространственной изменчивости.........................194

7.3.1. Общий подход к вычленению фоновых поверхностей (трендов)......................................................................................195

7.3.2. Вычленение фоновой поверхности осреднением........................195

7.3.3. Вычленение фоновой поверхности аппроксимирующей функцией......................................................................................205

7.3.4. Остаточные поверхности.............................................................211

7.4. Картографирование показателей связи и изменчивости........................214

7.5. Геногеография главных компонент......................................................222

7.5.1. Картографирование главных компонент...................................224

7.5.2. Пространство главных компонент..............................................227

7.6. Возможности геногеографической технологии......................................236

7.6.1. Генетическая память генофонда.................................................236

7.6.2. Геногеография и отбор...............................................................237

7.6.3. Геногеография редких генов.......................................................241

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ...............................................................................248

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................252

ПРИЛОЖЕНИЯ

Шамяши уЫшеля nf)0(p. 9€f>HH ЩторьевнЫ 'Puikoëa посещаемся

Глава 1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1.1. Актуальность проблемы

Проблема микроэволюции популяций является центральной в популяцион-ной генетике. Основным направлением в решении этой проблемы является анализ пространственной структуры популяций. Это связано с тем, что изучить динамику популяции во времени (причем времени, измеряемом в масштабе эволюции) чрезвычайно сложно. Такой анализ возможен лишь для биологических видов с очень малой длиной поколения - намного меньшей, чем длина поколения исследователей. Для популяций человека такой анализ методически сложен и всегда сопряжен с множеством теоретических допущений и спекуляций. Но есть иной путь исследования - через генетическое многообразие современных популяций. Многоликость современного населения, генетическое разнообразие современных популяций является итогом и материальным воплощением всего хода их эволюции - разверткой в пространстве процесса эволюции, протекающего во времени. Этот принцип эргодичности для популяций человека ярко выражен Э.Реклю: "География по отношению к человеку есть не что иное, как История в пространстве, подобно тому, как История является Географией во времени" [Реклю, 1906. Т.1, с.1]. Такая "взаимозаменяемость" времени и пространства и позволяет изучать микроэволюцию популяций через их географическую изменчивость.

На заре развития генетики человека исследователи не предполагали значительную пространственную изменчивость генофонда: "Так и не выясненной загадкой было общепринятое утверждение, что группы крови одинаково распределены на Земном шаре ... Трагедия Мировой войны помогла разрешить эту загадку. На Македонском фронте было великое скопление народов и рас: солдаты английские, французские, сербские, русские, войска цветных - мальгашей, индусов и негров. Весь этот калейдоскоп рас и народов жил вместе в одном климате, все одетые одинаково и болевшие одними болезнями. В итоге различия в частотах групп крови обнаружились ярчайшим образом...» [НигэГеМ, Ни^еШ, 1919, с.13]. Все последующее развитие генетики человека связано с накоплением информации о генетических различиях между популяциями ойкумены, анализом этой информации и ее интерпретацией в терминах микроэволюции, истории и экологии человека.

Арсенал методов, привлекаемых для анализа пространственной структуры генофонда, велик - от прямого сравнения частот генов до изощренных методов

многомерной статистики. Наиболее развитыми подходами являются анализ генетических расстояний между популяциями и их связи с географическими расстояниями; построение различных вариантов "родословных древ" популяций, отражающих их генетическую близость; анализ межпопуляционного разнообразия и гетерозиготности популяций; картографическое изучение генофондов с помощью "синтетических" карт и "wombling"- анализ; методы генохронологии; автокорреляционный анализ и другие методы оценки факторов микроэволюции (дрейфа, миграций, инбридинга, отбора) на основе данных о пространственной изменчивости популяций [Womble, 1951; Cavalli-Sforza, Edwards, 1967; Fitch, Margoliash, 1967; Farris, 1972; Felsenstein, 1973; Lalouel, 1973; Karlin, Richter-Dyn, 1976; Ward, Neel, 1976; Slatkin, 1976, 1987; Rychkov, Sheremetyeva, 1977, 1979; Nei, 1978; Sokal, Oden, 1978; Spuhler, 1979; Sokal, 1979, 1988, 1991; Cliff, Ord, 1981; Lathrop, 1982; Рычков, 1984, 1986; Спицын, 1985; Рычков, Батсуурь, 1987; Barbujani, 1987а,b, 1988; Piazza et al., 1987a,b; Barbujani et al., 1989, 1994; Алтухов, 1989, 1995; Harding, 1990; Devoto et al., 1990; Cavalli-Sforza et al, 1995; Mourrieras et al., 1997].

Однако обильный арсенал средств сам по себе не обеспечивает многостороннего и корректного анализа генофонда - обилие фигур у шахматиста немногого стоит, если нет общего плана действий. Поэтому наиболее актуальной становится разработка не изолированных методов, а общих подходов к многостороннему и комплексному изучению генофонда в целом, задача создания комплексных технологий анализа пространственной изменчивости генофонда. Современные технологии должны удовлетворять трем основным требованиям: 1) гармоничное единство различных методов, направленных на решение единой задачи - целостного анализа генофонда; 2) строгие алгоритмы решения задачи; 3) адекватное программное обеспечение. Поскольку понятие технологии объединяет в себе и "знание" (logos), и "мастерство" (techne), новые технологии должны объединять в себе и новые научные подходы, и детально разработанные методы их реализации.

Данная работа носит методический характер. В ней предложены новые подходы, методы и технологии, охватывающие основные направления в изучении пространственной структуры генофонда и факторов микроэволюции:

1) анализ закономерностей селективно-нейтрального процесса;

2) выявление эффектов селективно-значимого процесса (роль отбора);

3) комплексный картографический анализ;

4) комплексный анализ микроэволюции подразделенной популяции.

Все методы и технологии продемонстрированы в приложении к наиболее изученному модельному объекту - генофонду человека (от элементарных популяций до генофонда всей ойкумены) - и позволили получить принципиально новые характеристики рассмотренного генофонда. Однако разработанные технологии приложимы почти к любым живым организмам.

Концептуальная особенность созданных технологий: стремление в любых видах анализа учитывать важнейший атрибут популяции - ее ареал. Ареал является жизненным пространством популяции, в котором осуществляется ее воспроизводство; история и география ареала неразрывно связаны с генетическим обликом популяции. Пространственная изменчивость генофонда не может корректно анализироваться и интерпретироваться без учета особенностей ареала популяций. Поэтому разработанные технологии представляют собой методическую основу нового раздела популяционной генетики - "ареальной генетики".

Актуальность работы заключается и в том, что разработанные технологии позволяют поставить изучение структуры генофонда на "промышленные рельсы" и обеспечить современными методами как комплексный анализ генофондов, так и изучение отдельных факторов их микроэволюции. При этом технологии являются "открытыми", т.е. позволяют их развивать и дополнять, не меняя понятийного и технологического пространства, ими созданного.

1.2. Цель и задачи исследования

В соответствии с актуальностью проблемы были сформулированы следующие цель и четыре основных задачи исследования.

Цель исследования: разработка методов комплексного изучения генофонда, его географической дифференциации и факторов микроэволюции. Задачи исследования'.

1. Разработать новые методы и технологию изучения закономерностей селективно-нейтральной микроэволюции:

• разработать технологию "стратиграфического" анализа селективно-нейтрального процесса в системах популяций;

• определить параметры селективно-нейтрального процесса в различных генофондах ойкумены.

2. Разработать методы и технологию изучения селективно-значимой микроэволюции (эффектов отбора):

• разработать серию технологий оценивания эффектов отбора по i-тому гену через гетерогенность оценок межпопуляционного разнообразия Fst©;

• создать технологию экспресс-диагностики эффектов отбора;

• определить новую характеристику генофонда - селективную структуру - и изучить ее особенности в генофондах ойкумены.

3. Разработать комплексную картографическую технологию изучения пространственной структуры генофонда:

• картографического моделирования и анализа отдельного признака;

• картографического моделирования и анализа совокупности признаков;

• анализа закономерностей в пространственной изменчивости генофонда (тренды, корреляции, синтетические карты).

4. Разработать комплексную технологию изучения микроэволюции подразделенной популяции (на основе традиционных и модифицированных методов):

• анализа частот генов (эмпирических и теоретических распределений);

• анализа генетического разнообразия популяций (общего, межпопуляционного, гетер оз иготности) ;

• анализа селективной структуры;

• провести комплексный анализ основных генофондов ойкумены.

1.3. Научная новизна и практическая значимость

Содержание работы составляют новые методы, новые технологии и впервые выявленные на их основе закономерности и особенности в пространственной изменчивости различных генофондов ойкумены.

Впервые разработана технология комплексного анализа подразделенной популяции, объединяющая давно существующие и новые методы анализа распределений частот генов, генетического разнообразия и эффектов отбора. Впервые проведен комплексный анализ всех основных генофондов ойкумены. Обнаружено особое положение генофонда Северной Евразии среди анализируемых историко-географических регионов всей ойкумены: именно этот генофонд в наибольшей степени воспроизводит основные характеристики мирового генофонда в целом.

Впервые разработана технология "стратиграфического" ("stratum" - слой, пласт) анализа селективно-нейтрального процесса в популяционных системах и выявлена новая закономерность: "квантуемость" межпопуляционного разнообразия. Впервые проведено комплексное изучение селективно-нейтрального процесса

в основных генофондах Северной Евразии: при комплексном использовании статистического и картографического анализа идентичной исходной информации.

Впервые разработана серия технологий изучения отбора по данным о пространственной изменчивости частоты гена. Для большого набора генов (более 80 иммуно-биохимических маркеров) для генофонда каждой части света выдвинута гипотеза действия отбора на каждый ген и дана количественная оценка интенсивности отбора. Впервые разработана экспресс-диагностика эффектов отбора. Проведен сравнительный анализ селективной структуры генофондов всех частей света и пяти генофондов Северной Евразии.

Впервые разработана геногеографическая технология, позволяющая проводить комплексный картографо-статистический анализ генофонда. Технология обеспечивает компьютерное картографическое моделирование и анализ пространственной изменчивости отдельных признаков, их совокупностей и связей. Она позволяет осуществлять преобразов