Если раньше ответ на вопрос «Кем были мои предки?» могли дать только семейные предания и архивы, то с недавних пор помочь человеку узнать свою родословную берется и генетика. Специалисты научились расшифровывать один из наиболее информативных и перспективных для изучения участков ДНК — Y-хромосому. Она есть только у мужчин и передается от отца к сыну и к внукам практически без изменений. Лаборатория популяционной генетики в Москве уже долгое время занимается изучением генофонда России. Корреспондент «Русского Репортёра» побывал в лаборатории и сдал кровь на анализ
Образцы крови в Лаборатории популяционной генетики
Сейчас будем ставить небольшой эксперимент — определять, что лучше использовать для наших целей: ватные палочки или специальные щеточки, — тоном наставника вводит меня в научные дебри аспирантка Ольга Васинская, сотрудник Лаборатории популяционной генетики.
На столе лежит небольшой полиэтиленовый пакет — в такие полицейские из фильмов собирают улики. Пакет подписан черным маркером: «Буккашки». Генетический жаргон. От «буккального эпителия» — слоя на внутренней стороне щеки, который используют для исследования ДНК. Ольга надевает резиновые перчатки — необходимое условие при работе с образцами, — отчего сходство с расследованием только усиливается. Популяционные генетики и есть сыщики — они распутывают сложный клубок переселений и взаимовлияний народов.
Ольга вскрывает пакет и извлекает из него пакетики поменьше. В них обычные ватные палочки, которые можно купить в любой аптеке, и специальные щеточки. Пакетики тоже подписаны: «Олег», «Хадижат», «Света» — как и любые ученые, генетики в качестве подопытного материала используют то, что есть под рукой, — себя.
Мне предлагают собственными глазами увидеть, как выделяют мою ДНК. Для этого поднимаемся с Ольгой на второй этаж Медико-генетического научного центра РАМН — лаборатория занимает несколько комнаток в цокольном этаже центра. Сейчас это единственная популяционная лаборатория в стране, оснащенная по последнему слову всей техникой, необходимой для исследования генофонда народов.
С большой пробиркой, в которой находится моя кровь, мы возвращаемся в «операционную» — так я мысленно назвал комнату, где происходит выделение ДНК. При помощи дозатора Ольга отмеряет 100 микролитров крови и переносит ее в малюсенькую пробирку, которая стоит в одном ряду с другими. Большой пробирке с оставшейся в ней кровью присваивают индивидуальный номер и помещают в специальный холодильник. В «операционной» таких холодильников четыре. Всего в лаборатории — одиннадцать. Видом и размерами они больше напоминают сейфы — огромные железные ящики. Температура внутри — минус 70 градусов. При такой заморозке образцы крови и ДНК могут храниться вечно. В этих холодильниках-сейфах находится бесценный материал — результат многолетнего труда генетиков по сбору образцов. Добывались они в экспедициях по всей территории России, Украины, Белоруссии, Казахстана, Киргизии, Таджикистана и даже Афганистана… Такой коллекции ДНК нигде в России больше нет.
Компьютерная программа проводит анализ образцов ДНК
— Первым делом нужно подготовить пробу ДНК, которую будем анализировать, — продолжает Ольга тоном наставника — выдерживает роль. Специально попросил ее комментировать каждый свой шаг, как будто я новый аспирант, которого нужно научить выделять ДНК. — Для этого с ватной палочки состригается только верхний слой, на котором находятся клетки.
Уверенным движением Ольга делает надрез, затем снимает пинцетом тонкий верхний слой и помещает его в пробирку.
Вообще, из крови, слюны и буккального эпителия ДНК можно выделять разными способами. Самым доступным для исследования является эпителий. Из него ДНК выделяют относительно быстро и просто — методом очистки с использованием различных сорбентов. Количество выделенной ДНК всегда индивидуально и зависит в том числе от того, как тщательно будет проведен забор материала. Чем больше клеток удастся соскрести со щеки, тем больше будет выход ДНК.
Когда все образцы помещены в пробирки, Ольга заливает их лизирующим буфером — разрушающим клетки раствором. Плашку с пробирками ставит в термостат. В нем при температуре 69 градусов образцы должны находиться около часа, тогда содержимое клеток выйдет в раствор.
Если Маркса смешать с Агатой Кристи
Пока клетки разрушаются, чтобы пополнить свои скудные познания в генетике иду в кабинет к ХудРуку, — так Елену Владимировну Балановскую, доктора биологических наук, заведующую лабораторией, называют сотрудники.
— Чем генетика поможет человеку, который захотел узнать о своих предках?
— Для ответа на этот вопрос нужно знать, что в принципе может генетика и чего она не может, — Елена Владимировна начинает издалека. — Родители передают нам свой генетический текст. Что это такое? От отца вы получили, например, собрание сочинений Карла Маркса, а от мамы — собрание сочинений Агаты Кристи. В момент передачи тома случайным образом перемешались: один том от папы, второй-третий — от мамы. Четвертый, пятый, шестой — Маркс, потом опять Агата Кристи. Когда вы будете передавать генетический текст своему ребенку, то из этого набора снова совершенно случайным образом передадите Карла Маркса вперемешку с Агатой Кристи. Но ваша жена тоже получила библиотеку: от отца, допустим, Толстого, а от мамы — поваренную книгу. Ребенок получит смесь уже четырех библиотек: то Толстой, то Агата Кристи, то Маркс, то поваренная книга.
Но есть два маленьких исключения, ничтожные части генома — однородительские гены. Если уж отец — в этой маленькой части генома — передал вам собрание сочинений Карла Маркса, то вы передадите его своему сыну, он своему, и так эта «однородительская» библиотека в полной сохранности будет переходить по отцовской линии к внукам и правнукам. Это Y-хромосома. На кафедре генетики даже стишок про нее сочинили: «Хоть мала и некрасива, с нею вся мужская сила».
Второе исключение — митохондриальная ДНК. Находится она не в ядре, как хромосомы, а в самой клетке, в энергетических станциях — митохондриях. Поэтому передается только по женской линии вместе с яйцеклеткой — от Евы всем ее дочерям. Мужчины тоже обладают митохондриальной ДНК, полученной от матери, но передать ее не могут. Получается, что у человека есть две линии, которые генетики могут проследить, — от Адама и от Евы.
— Если генетический текст передается неизменным от Адама и Евы, как тогда ученые узнают какую-то историю?
— Как говорят сами ученые, генетика — наука об опечатках. Вот есть, к примеру, летописи — один извод, другой. Какой был раньше, какой позже? Переписчик работал и сделал ошибки. Следующие переписчики эти ошибки будут повторять и делать новые. По ошибкам складывается датировка. С абсолютной точностью мы дату не укажем, но сможем определить, какой извод более ранний, а какой — более поздний. Так же работают генетики. В процессе переписывания генетических текстов иногда происходят опечатки. Эти опечатки фиксируют веточки древа, которые называются гаплогруппами — и для Y-хромосомы, и для митохондриальной ДНК. Мы знаем, что наши очень далекие предки обладали такими-то стволовыми гаплогруппами, и обозначаем их буквами: A, B, C, D, M, N… Это большое древо, своими корнями уходящее во времена возникновения современного человека, то есть на глубину примерно в сто тысяч лет.
Для наглядности Елена Владимировна достает большой плакат с древом гаплогрупп:
— Оно составлено по последним данным. A, B, C, J, I — грубое деление на основные гаплогруппы. Анализировать всю хромосому дорого и долго — это работа целого института на пару месяцев. Поэтому популяционные генетики исследуют отдельные участки ДНК — локусы. В локусах происходят мутации. Вот есть одна последовательность нуклеотидов — AGTCAATAT… При переписывании генетического текста произошла опечатка — замена первого нуклеотида на другой — А на Т, то есть мутация.
— Что дает человеку знание своей гаплогруппы?
— Зная, какие веточки более ранние, а какие более поздние, где стволовые, а где более мелкие, мы можем прослеживать пути миграций и восстанавливать историю народов. Но к отдельно взятому человеку можно переходить только после того, как изучены хотя бы основные народы мира. Иначе мы смогли бы рассказать человеку только о его собственном генетическом тексте, но ничего о его истории и географии. Потому мы и ездим в экспедиции по всей Евразии, изучаем, где какие гаплогруппы встречаются.
В Y-хромосомах перемешаны и генетика, и история, и география
Результатом исследований лаборатории стали книга «Русский генофонд на Русской равнине» и статья, опубликованная в престижном научном журнале The American Journal of Human Genetics. В этих работах было показано огромное генетическое разнообразие русского народа по Y-хромосоме. Южные и центральные русские популяции образовали единый кластер с украинцами, поляками и белорусами — восточные и западные славяне имеют намного больше общего по маркерам Y-хромосомы, чем другие народы Европы. Северные русские популяции даже в масштабе Европы образуют свой собственный кластер, далеко отстоящий от основного ядра русских популяций — здесь прослеживается мощный финно-угорский пласт.
Еще один интересный результат: не обнаружен генетический след татаро-монгольского ига. То есть выражение «Поскреби русского — найдешь татарина» не соответствует действительности. Русский генофонд — типичный европейский.
Треть однофамильцев — родственники
— Или другая задача. Сейчас наша лаборатория работает над проектом «Однофамильцы или родственники?» — продолжает Балановская. — Его цель — выяснить, как зародились и распространялись фамилии в России, насколько часто простые, казалось бы, однофамильцы оказываются родственниками. Благодаря этому проекту люди могут узнать о происхождении своей семьи. Каждому участнику мы выдаем сертификат, в котором перечислены замены, встретившиеся в его геноме, и указано, кто из однофамильцев является более близким родственником, а кто — дальним. Еще даем таблицу и карту. Карта похожа на физическую. По ней можно проследить, где живут генетические родственники, и таким образом определить, откуда могут быть ваши корни.
— И какая связь существует между фамилиями и гаплогруппами?
— Поскольку и фамилии, и Y-хромосома передаются по мужской линии, то между ними возникает историческая связь. Если бы фамилии наследовались так же устойчиво, как и Y-хромосома, то историческая связь была бы однозначной: какая фамилия, такой и гаплотип. К сожалению, эта связь нарушается как частыми «мутациями» фамилии — изменениями в написании, появлением у потомков иной фамилии, нежели у отца, — так и случаями внебрачных детей, усыновлений, передачи фамилии от матери. Но самая главная причина нарушения связи — полифилитичность, неоднократное возникновение одной и той же фамилии у разных людей. Например, фамилия Иванов появлялась в самых разных местах у генетически разных людей.
— Каковы первые итоги этого проекта?
— Сбор однофамильцев проводился нами с помощью «добровольцев» по интернету и включил однофамильцев, проживающих не только в России, но и далеко за ее пределами. В такую случайно собранную группу не должны были попасть однофамильцы из одной популяции, где большинство из них могло оказаться родственниками, успевшими забыть о своем родстве.
Конечно, 308 человек, представляющих 38 фамилий, недостаточно для проведения полноценного статистического анализа. Но уже сейчас можно выявить некоторые тенденции.
Во-первых, степень полифилитичности фамилии не зависит от числа изученных однофамильцев. Это говорит о достоверности результатов. Во-вторых, около трети всех однофамильцев могут рассматриваться как родственники. В-третьих, и редкие, и частые фамилии могут быть полифилитичными. Минимальная полифилитичность, как и ожидалось, характерна для редких фамилий.
— Как устанавливается родство между однофамильцами?
— Мы анализируем гаплогруппы и гаплотипы. Гаплогруппы — часовая стрелка эволюции. Они определяются по мутациям в так называемых SNP-маркерах. Такие мутации происходят очень редко. Но есть еще STR-маркеры — гаплотипы. Это минутная стрелка эволюции. Здесь происходят совсем другие мутации: надстраивается или исчезает один повтор «мотива» из нескольких «букв» генетического текста. Например, у родителя простой мотив из четырех букв «САТТ» повторен 12 раз, а у его потомка — 13. Такие замены происходят часто.
Для анализа однофамильцев мы используем панель из 17 маркеров, применяемую в судебной экспертизе: совпадение по всем маркерам позволяет идентифицировать человека или решать вопросы спорного отцовства. А в нашем случае — считать, что два однофамильца являются родственниками. Если же два однофамильца по 16 маркерам полностью одинаковы, а по одному различаются, то они, скорее всего, тоже родственники, но не столь близкие. И так далее.
Мои польские предки
К тому времени, когда я вернулся в «операционную», разрушение клеток уже закончилось. После тщательного перемешивания клеток с буфером на приборе, который на жаргоне генетиков называется «мешалка», а в реальности — microspin, Ольга достает чистые пробирки и с помощью дозатора перемещает в них раствор с находящейся в нем ДНК. Следующий шаг: добавляет в пробирки «Нуклеос» — сорбент, на который приклеивается ДНК. Пробирки с раствором и сорбентом Ольга выставляет на плашку.
— Теперь нужно переворачивать плашку вот так, — Ольга делает вращательное движение кистью, — в течение десяти минут. Предлагаю тебе заняться этим увлекательным делом, — и засекает время.
Безропотно работаю «мешалкой».
По истечении 10 минут Ольга добавляет в пробирки новый раствор. Опять следует серия перемешиваний и осаждений. Затем раствор удаляется из пробирки, а то, что осталось, Ольга просушивает в термостате — пока не испарится весь солевой буфер. Это последний этап очистки — теперь внутри пробирки только ДНК и сорбент.
Ольга добавляет в пробирки «Экстраген Е» — вещество, которое отделяет ДНК от сорбента. В результате ДНК оказывается в жидкости — остается только собрать этот раствор.
— Выделенную ДНК необходимо проанализировать. Мы делаем это на специальных аппаратах. Здесь стоит Real Time PCR — «ПЦР реального времени», — Ольга показывает на громоздкий аппарат, похожий на принтер. — Прибор соединен с компьютером. На нем просчитываем SNP-маркеры. А STR-маркеры и митохондриальную ДНК просчитываем на другом аппарате — секвенаторе, он стоит в другой комнате.
Ольга достает небольшую пластиковую плашку с ячейками. Плашка расчерчена по краям — вертикально и горизонтально. У каждой ячейки свой адрес — как у клеток на шахматной доске. Дозатором закапывает ДНК в ячейки. Загружает специальную программу, которая будет отслеживать процесс, вносит данные: в какой ячейке какой образец ДНК находится. Потом закапывает в ячейки специальную реакционную смесь.
— С помощью этой смеси происходит ПЦР — полимеразная цепная реакция, — рассказывает Ольга. — Смысл ее в том, что маленький кусочек ДНК, который мы исследуем, копируется в геометрической прогрессии: если кусочек был один, то после ПЦР их будет миллионы.
Ольга открывает в аппарате маленькую полочку сбоку, вставляет в нее плашку. Задает параметры реакции: определение гаплогруппы моей Y-хромосомы и общее количество выделенной ДНК для участников эксперимента. Запускает процесс. Real Time PCR начинает гудеть.
— А что происходит внутри — неизвестно?
— Известно. Внутри установлен лазер, который сканирует плашку и запоминает ее в том состоянии, в котором она находится в самом начале. Потом запускается ПЦР. После того как реакция завершена, лазер сканирует плашку второй раз и анализирует изменения — по разнице между начальным и конечным сигналами программа выдает результат.
Как идет реакция, можно наблюдать на мониторе — причем за каждым образцом в отдельности.
Считывание занимает около часа. Наконец результат готов.
— Выход ДНК с простых ватных палочек и со специальных щеточек оказался примерно одинаковым, — подводит итоги Ольга. — Что касается твоей гаплогруппы, то она — N1с1. Вторая по частоте у русских — 19% фонда Y-хромосом. Это «северная» гаплогруппа — распространена и в Сибири, и на севере Европы. В Восточной Европе она связана с древним неславянским населением, говорившим на финно-угорских языках. Часто встречается и у балтийских народов Восточной Европы: резкий спад начинается на границе с Белоруссией. В Белоруссии и Польше она встречается довольно редко.
Чтобы определить, откуда «растет» моя конкретная веточка, мою ДНК проанализировали еще и по 17 STR-маркерам. Вооружившись результатами, отправляюсь на поиски в интернет. Сайт www.yhrd.org[1] — мировая база данных гаплотипов.
Задаю в поисковике сначала 12 маркеров. Схожие гаплотипы есть на территории России, Белоруссии, Польши, Финляндии, Эстонии, Литвы, Норвегии, Швеции, Германии, Чехии. Все это очень далекие родственники, расхождения с ними составляют не одну тысячу лет. Увеличиваю число маркеров до 17 — большинство родственных гаплотипов с отличиями в 1–3 шага, что дает разницу примерно в 200–600 лет, находится в Польше. Получается, что предок, имевший гаплотип, схожий с моим, уже жил на территории современной Польши примерно 600 лет назад. Таким образом, генетический анализ подтвердил то, что мне было известно об истории рода и происхождении фамилии: когда-то давно мои предки по мужской линии жили на берегу Рижского или Финского залива, а в Средние века переселились в Польшу
