ГЕНОФОНД БЕЛОРУСОВ
ПО ДАННЫМ О ТРЕХ ТИПАХ ГЕНЕТИЧЕСКИХ МАРКЕРОВ –
АУТОСОМНЫХ, МИТОХОНДРИАЛЬНЫХ, Y ХРОМОСОМЫ
Балановский О.П.1, Тегако О.В. 2
1Государственное учреждение Медико-генетический научный центр РАМН, Москва (Россия)
2Институт искусствоведения, этнографии и фольклора НАН Беларуси, Минск (Беларусь)
ВВЕДЕНИЕ
Изучение этногенеза и этнической истории представляет важную фундаментальную проблему, к решению которой все шире привлекается не только антропология, но и антропогенетика. Среди обширного перечня исторических источников важное место начинают занимать данные о структуре генофонда народа – генетических особенностях населения в различных частях этнического ареала. Генофонд хранит генетическую память об этногенезе. Генетическая летопись, передаваясь в непрерывной цепи поколений, фиксирует события, связанные с перемещениями людей. Это позволяет выделить именно те явления в генофонде, которые неразрывно связаны с демографической историей населения, его миграциями и смешениями, динамикой численности, контактами с соседними этносами и процессами внутренней дифференциации.
Современная антропогенетика стремительно совершенствует инструменты исследования этногенеза, каждый из которых позволяет реконструировать разные аспекты этнических процессов. Наибольшая информативность достигается параллельным анализом всех трех основных типов генетических маркеров, отражающих три главных магистрали микроэволюции популяций:
1) Митохондриальная ДНК – только материнские линии передачи наследственной информации (дочери получают эти гены только от матери, она – от своей матери, и так непрерывная цепь передачи информации по материнской линии приходит из глубины времен).
2) Y хромосома – только отцовские линии передачи наследственной информации (сыну – только от отца, ему – от своего отца, и так непрерывная цепь передачи информации по отцовской линии);
3) Аутосомные маркеры – микроэволюция основной части генофонда (к аутосомным маркерам относятся подавляющая часть генома, переданная от обоих родителей, но рекомбинирующая, то есть «перетасовывающаяся» в процессе передачи информации).
Гаплогруппы Y хромосомы занимают особое место. Уникальная возможность дифференцировать миграции в пространстве и времени, огромная межпопуляционная изменчивость, географические тренды в частотах гаплогрупп – все эти особенности Y хромосомы несут важную информацию о процессах формирования генофонда. Однако маркеры Y хромосомы фиксируют лишь одну своеобразную линию микроэволюции. Чтобы иметь полную и объективную картину, надо оценить микроэволюционные траектории и по другим типам маркеров. Лишь свидетельства всех этих «очевидцев» в комплексе могут дать объективную картину структуры белорусского генофонда и его положения среди других народов Европы. Интенсивными исследованиями, проводимыми ведущими лабораториями мира, уже охвачены практически все народы Европы и смежных регионов. Лишь белорусы являлись одним из немногих народов, до настоящего времени практически неизвестных в отношении полиморфизма этих ДНК маркеров. Заполнение этого «белого пятна» является приоритетным направлением науки.
МАТЕРИАЛЫ
В 2004-2005 годах проведено полевое обследование генофонда белорусов. Сбор образцов венозной крови осуществлен среди коренного сельского населения двух популяций, представляющих основные географические и этнографические подразделения белорусского этноса: северных (Витебская область) и южных (Брестская и Гомельская области) белорусов. Для обследования выбраны районы с высокой долей коренного неметисированного населения. Изучен ряд несмежных населенных пунктов для получения репрезентативной характеристики региона в целом, а не отдельных локальностей. Все обследованные индивидуумы анкетированы по единой программе. В итоговую выборку включены только пробанды, все предки которых на глубину трех поколений происходят из данного региона и являются белорусами. Обследование проведено на основе принципа информированного согласия и под контролем Этической комиссии ГУ МГНЦ РАМН: каждый обследуемый давал письменное информированное согласие на данное обследование. Забор венозной крови осуществлялся системой «Вакуэт» для соблюдения стерильности на уровне европейских стандартов.
Для сравнительного исследования привлечены полностью сопоставимые данные по 14 русским популяциям [Balanovsky et al., 2008] и 5 украинским популяциям [Пшеничнов, 2007], полученными нашим коллективом строго по той же программе, что и для генофонда белорусов.
Генотипирование маркеров Y хромосомы и митохондриальной ДНК проведено О.П. Балановским, аутосомных ДНК маркеров – Мансуровым Р.И., Соловьевой Д.М., Дибировой Х.Д., Кузнецовой М.А., Фроловой С.А. [Мансуров и др., 2006].
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ЛАНДШАФТ Y ХРОМОСОМЫ
Для Европейского субконтинента при изучении генофондов наиболее информативны маркеры Y хромосомы. Распределение гаплогрупп митохондриальной ДНК (мтДНК) и аутосомных маркеров в европейских популяциях, к сожалению, единообразно и требуется прилагать специальные усилия, чтобы выявить различия между популяциями разных народов. Напротив, по Y хромосоме межэтнические различия огромны, и тем самым Y хромосома является идеальной генетической системой для изучения истории генофонда: прослеживания миграций населения, смешения различных групп, действия генетико-автоматических факторов.
В генофонде белорусов нами обнаружены 12 гаплогрупп Y хромосомы: E3b1, E3b3, G2, I(xI1a,I1b,I1c), I1a, I1b, I1c, J1, J2, N3, R1a, R1b3. Наиболее распространены у белорусов четыре гаплогруппы: R1a, I1b, N3, R1b3 (частота каждой из этих гаплогрупп – более 5%, гаплогруппы перечислены в порядке убывания частоты). Наибольшая часть генофонда белорусов представлена гаплогруппой R1a (60%), и гаплогруппой I1b (17%).
Для исследования характера распространения этих гаплогрупп в других частях Евразии были привлечены литературные данные. Высокие частоты гаплогруппы R1a типичны как для славяноязычных народов (в том числе и всех восточных славян), так и для некоторых тюркоязычных народов Северной Евразии. Эта гаплогруппа вообще широко распространена в Евразии, но внутри Европы более характерна для восточной, чем для западной её части. Гаплогруппа I1b достигает максимальной частоты у хорватов и боснийцев и наиболее распространена в балканском регионе (от 15 до 40%). За пределами этого региона она встречена с меньшей частотой (7-17%) у всех славяноязычных народов Восточной Европы. Гаплогруппа N3 характерна для финноязычных народов Восточной Европы и балтов: на границе ареалов белорусов и балтов происходит резкое падение частоты N3. Гаплогруппа R1b3 встречается у белорусов с небольшой частотой: это гаплогруппа, более характерная для населения Западной Европы.
Итак, по спектру гаплогрупп Y хромосомы белорусский генофонд предстаёт как европейский (R1b3), восточноевропейский (по преобладанию R1a) и северный восточноевропейский (по присутствию N3). Гаплогруппа I1b отражает связь с миром Южной Европы.
Южные и северные белорусы очень похожи друг на друга: основная часть генофонда маркеров Y хромосомы в обеих изученных белорусских популяциях представлена одним и тем же набором гаплогрупп и близкими частотами. Отличия двух белорусских популяций друг от друга выявляются на уровне тенденций. Несколько большая частота гаплогруппы N3 на севере может быть связана с большей ролью субстратного дославянского населения в формировании современного генофонда. В большей частоте гаплогруппы R1b3 на юго-западе, чем на севере прослеживается общеевропейский тренд изменчивости частоты этой гаплогруппы.
С КЕМ СХОДНЫ БЕЛОРУССКИЕ ПОПУЛЯЦИИ ПО Y ХРОМОСОМЕ?
По результатам многомерного анализа, обе белорусские популяции, будучи географически удалены, тем не менее, чрезвычайно сходны генетически. Несмотря на большое географическое расстояние между изученными белорусскими популяциями, генетическое расстояние между ними меньше среднего расстояния между украинскими популяциями или между русскими популяциями. Генетическое сходство между белорусскими популяциями особенно ярко проявляется на фоне общего европейского разнообразия Y хромосомы.
Различия между северными и юго-западными белорусами всё же проявляются – в большем тяготении северных белорусов к русским Тверской области, а южных белорусов – к русским Воронежской области. Таким образом, сходны популяции, находящиеся примерно на одной географической широте, в то время как между популяциями разных широт наблюдаются большие различия.
Рис. 1. Генетические расстояния от белорусских популяций до народов Европы по данным о гаплогруппах Y хромосомы (отцовская линия наследования)
Светлые столбцы - генетические расстояния от южных белорусов.
Темные столбцы - генетические расстояния от северных белорусов.
Сравним теперь генофонд белорусов с другими генофондами народов Европы (рис. 1). Поскольку предполагается, что балтский субстрат может быть существенен в генофонде белорусов, рассмотрим – насколько близок генофонд белорусов к современным балтам? Мы видим, что генетические расстояния до балтов – и от северных, и от южных белорусов – одинаково велики: до латышей d=0.23, до литовцев d=0.20. До многих популяций западных славян это расстояние на порядок меньше: до поляков d=0.01, до сорбов (лужичан) d=0.02, словаков d=0.04. От белорусов до украинцев в среднем генетическое расстояние столь же мало: d=0.04, варьируя между разными популяциями от d=0.01 (между южными белорусами и подольскими украинцами) до d=0.08 (между северными белорусами и западными украинцами).
От белорусов до русских популяций в среднем генетическое расстояние немногим больше: d=0.06. Но если исключить генетически резко своеобразные северные русские популяции (расстояние от белорусов до них составляет около d=0.17), то расстояние до остальных русских популяций снизится всего лишь до d=0.02.
Таким образом, по наиболее генетически информативным маркерам Y хромосомы белорусы обнаруживают высокое сходство с восточными славянами и большинством западных славян, но генетически далеки от балтов. Причем удаленность от балтов одинаково велика и для северных, и для южных белорусов.
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ЛАНДШАФТ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК
Однако маркеры Y хромосомы выявляют лишь одну из трех траекторий микроэволюции генофонда – по отцовской линии передачи информации, и потому отражают особенности миграций, относящихся к мужской части популяции. Вторая траектория – по материнской линии передачи информации – анализируется с помощью маркеров митохондриального генома (мтДНК), фиксирующих следы миграций в «женской» части популяции. Маркеры мтДНК обладают всеми основными преимуществами Y хромосомы – возможностью анализа «генетического текста» в целом, возможностью филогеографического анализа, т.е. определения места и времени миграционных потоков. Но изменчивость мтДНК в европейских популяциях обычно намного ниже, чем Y хромосомы.
Однако анализ частот гаплогрупп мтДНК выявил существенные различия между южными и северными белорусами. Оно достигается за счет выраженного своеобразия северных белорусов, которое не связано с балтским субстратом в материнских линиях наследования – северные белорусы в равной степени генетически удалены и от балтов, и от западных славян (в том числе и от поляков), и от финно-угров, и от практически всех популяций восточных славян [Балановский, 2005]. Возможно, этот результат связан с дрейфом генов – только увеличение выборок северных белорусов поможет дать более корректное объяснение своеобразия северных белорусов. Очень велико сходство южных белорусов с южными и западными русскими популяциями: к ним южные белорусы в 3-5 раз генетически ближе, чем к северным белорусам.
В генофонде белорусов нами обнаружены 23 гаплогруппы мтДНК: C, F, G, H, HV, I, J, K, N, N1b, pre-HV, pre-V, R, T, U2, U3, U4, U5a, U5b, U7, U8(xK), V, W. Из них 17 встречаются со средней частотой, удовлетворяющей 1% критерию полиморфизма. Наиболее распространены у белорусов четыре гаплогруппы: H, J, U5a, T (частота каждой из этих гаплогрупп – более 5%, гаплогруппы перечислены в порядке убывания частоты). Наибольшая часть генофонда белорусов представлена гаплогруппой H (38%), а остальные частые гаплогруппы J, U5a, T встречаются в 4 раза реже (7-10%).
НАСКОЛЬКО ПОПУЛЯЦИИ БЕЛОРУСОВ СХОЖИ МЕЖДУ СОБОЙ?
Ответить на этот вопрос можно, лишь сравнив разные генофонды по их гетерогенности – генетическим различиям между популяциями, относящиеся к одному этносу [Balanovsky et al, 2007]. Рис. 2 демонстрирует выявленные различия между популяциями каждого из восточнославянских народов по гаплогруппам Y хромосомы и мтДНК.
Мы видим, что по обоим типам маркеров различия между белорусами меньше, чем различия между украинцами или между русскими популяциями.
Рис. 2. Гетерогенность генофондов белорусов, украинцев и русских
по данным о гаплогруппах Y хромосомы (отцовская линия наследования)
и митохондриальной ДНК (материнская линия наследования).
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ЛАНДШАФТ АУТОСОМНЫХ МАРКЕРОВ
Третья траектория эволюции генофонда выявляется с помощью анализа аутосомных маркеров. Они составляют подавляющую часть всего генома (>99%). Поэтому с их помощью выявляется основной «портрет» генофонда. Однако аутосомные гены «перетасовываются» в процессе рекомбинации при передаче из поколения в поколение. Поэтому, в отличие от маркеров Y хромосомы и мтДНК, их «генетический текст» не сохраняется неизменным от поколения к поколению. Именно поэтому лишь одновременный анализ всех трех типов маркеров, всех трех траекторий микроэволюции позволяет получить емкую и максимально объективную картину истории формирования народа и его генофонда.
ГЕОГРАФИЯ ГЕНА УСТОЙЧИВОСТИ К СПИДУ (CCR5del32).
В последние десять лет мутация – делеция 32 нуклеотидов в гене рецептора хемокинов CCR5 - привлекает большое внимание исследователей. Дело в том, что эта мутация определяет устойчивость к ВИЧ-1 инфекции: гомозиготы по этой мутации почти полностью устойчивы к инфицированию ВИЧ-1.
Молекулярные механизмы устойчивости хорошо изучены. Вирус использует хемокиновый рецептор для проникновения в клетку. Мутация delta32 (делеция 32 нуклеотидов) приводит к отсутствию рецептора на поверхности клетки, что препятствует инфекции. В то время как гомозиготы обладают почти полной устойчивостью, у гетерозиготных пациентов инфекция все-таки происходит, но СПИД развивается медленнее, на два-три года позже. Кроме delta32, в гене CCR5 и прочих генов семейства хемокинов (CCR2, SDF1) обнаружены и другие мутации. Некоторые из них тоже снижают темпы инфицирования, но в существенно меньшей степени, чем CCR5delta32.
Аллель, несущий делецию, встречается главным образом у европейцев (в среднем 10%). Частота в Европе снижается с севера на юг. За пределами Европы делеция встречается с низкими частотами в смежных регионах (Северная Африка, Ближний Восток, Средняя Азия), но отсутствует в более отдаленных от Европы регионах: Африке южнее Сахары, Восточной и Юго-Восточной Азии, и в коренном населении Америки [Martinson at al., 1997, 2000]. Такой простой тренд необычен для распространения генов в популяциях человека. И он стал особенно интригующим, когда появились данные по возрасту мутации. Основываясь на изменчивости микросателлитов, сцепленных с геном CCR5, Либерт с коллегами [Libert at al., 1998] показали, что мутация возникла примерно 2000 лет назад. Данные другой группы [Stephens et al., 1998] дали мутации еще более молодой возраст (700 лет). Впрочем, 95% доверительные интервалы в обоих случаях покрывают несколько тысячелетий. Тем не менее, нет сомнений, что мутация возникла лишь однажды и возникла в Европе. Следовательно, частота мутации в населении Европы возросла от нуля до 10% за сравнительно короткое время. Согласно законам популяционной генетики, такое резкое изменение частоты в столь большой популяции не может быть вызвано случайным дрейфом генов [см. обзор Galvani, Novembre, 2005]. Следовательно, остается предполагать действие естественного отбора в пользу этой мутации; такое сразу же возникающее впечатление было подтверждено и математическим моделированием [Stephens et al., 1998].
Факторы, повлиявшие на распространение мутации delta32, к настоящему времени не известны – поэтому существует целый ряд гипотез и работ, посвященных их проверке. Для их лучшего понимания необходимо, в первую очередь, иметь точную картину распространения делеции в населении мира. Для этого нами была собрана наиболее полная мировая сводка по данным о распространении CCR5del32 – она включила более 300 популяций мира. Эти данные сведены в общемировую базу данных по частотам мутации delta32 [Balanovsky et al., 2005]. На ее основе построена карта распространения мутации CCR5del32 в населении Евразии. Карта построена по данным о 185 наиболее надежным евразийским популяциях, из них 35 – собственные неопубликованные данные.
На карте видна четкая закономерность: частота максимальна на севере Европы (на побережьях Балтийского и Белого морей), и во всех направлениях от этой зоны частота плавно снижается. Модификация этой карты, вычленяющая основной паттерн изменчивости в Евразии, демонстрирует концентрические круги – постепенное убывание частоты по мере удаления от зоны максимальных частот в Беломоро-Балтийском регионе [Balanovsky et al., 2005]. Для данного маркера в масштабе Евразии свойственна едва ли не самая четкая и простая пространственная изменчивость, которую только приходилось видеть.
По частоте CCR5del32 северная Белоруссия занимает промежуточное положение между популяциями западного и восточного Полесья. Такой же тренд мутации – с запада на восток – выявляется и для украинских популяций. В масштабах всей Европы это часть общего тренда, связанного с максимальной частотой делеции на северо-западе Европы (в южной Скандинавии, где, видимо, эта делеция возникла) и её падением при движении на юг и на восток.
Белорусские популяции соответствуют основному Евразийскому тренду. В целом в Белоруссии обнаруживается разнообразие по гену устойчивости к СПИДу (CCR5del32) и общеевропейский тренд – падения частоты гена с северо-запада на юго-восток.
ПАНЕЛЬ АУТОСОМНЫХ ДНК МАРКЕРОВ
Генофонд белорусов впервые изучен по широкой панели аутосомных диаллельных ДНК маркеров (CCR5, ACE, PV92, TPA25, FXIII, APO1, А25, В65) [Мансуров и др., 2006], что позволяет провести анализ структуры белорусского генофонда и положения среди других народов.
Рассмотрение генофондов восточных славян показало, что, в отличие от митохондриального генома, по аутосомным маркерам оказываются наиболее своеобразными южные, а не северные белорусы: они расположены по аутосомным ДНК маркерам ближе к средним показателям украинского и русского генофондов.
Мы оценили положение генофонда белорусов среди других генофондов Западной Евразии. По аутосомным ДНК маркерам все восточные славяне входят в один кластер Восточной Европы. Однако русские и украинские популяции расположены ближе друг к другу, чем к белорусам. Этот восточно-европейский кластер объединяется в суперкластер с регионами Северо-Западного Кавказа, Юго-Западной Азии, Балкан и Южной Европы. Он противопоставлен другому суперкластеру, включающему Западную Европу, Закавказье и Восточный Кавказ.
Эта матрица генетических расстояний представлена на графике многомерного шкалирования (рис. 3), который позволяет увидеть некоторые детали. Русские и украинцы оказываются ближе к популяциям Западной и Южной Европы, чем белорусы. К сожалению, по этим маркерам не изучены ближайшие западные и северные соседи белорусов, и в частности, балтские народы. Можно предполагать, что некоторое своеобразие генофонда белорусов связано с вкладом балтского субстрата.
Рис. 3. Многомерное шкалирование регионов Западной Евразии по восьми диаллельным маркерам (АСЕ, PV92, TPA25, FXIII, APO1, А25, В65, CCR5del32)
КАРТОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ БЕЛОРУССКОГО ГЕНОФОНДА
Однако наиболее мощным и точным инструментарием геногеографии являются не методы многомерной статистики, а компьютерный картографический анализ. Он проведен для всех типов маркеров и для разных генофондов – белорусов, русских, украинцев, Восточной Европы, Европы в целом и Евразии.
Не имея возможности в статье привести все множество карт (продемонстрированных в докладе и частично приведенных в монографии [Балановская, Балановский, 2007]), укажем основные выводы картографического анализа.
1). Карты главных компонент белорусского генофонда и по данным о классических (иммуно-биохимических) маркерах, и по данным об аутосомных ДНК маркерах выявляют один и тот же главный сценарий изменчивости генофонда белорусов. Четкая широтная изменчивость является главной закономерностью белорусского генофонда: одни частоты генов оказываются характерны для юга Белоруссии, тогда как северная часть ареала занята несколько отличным генофондом. При этом большая часть ареала занята промежуточными значениями, переходными между крайним северным и крайним южным вариантами.
Итак, главный вывод картографического анализа генофонда белорусов: широтная изменчивость – постепенный переход, различия между северными и южными популяциями – является основной закономерностью белорусского генофонда.
2). Другая важная закономерность, выявляемая картами главных компонент, - ядра своеобразных значений расположены не внутри ареала белорусов, а на границах. Они свидетельствуют об интенсивных потоках генов из других этносов и о том, что особенности генофонда белорусов складывались на основе взаимодействия с соседними этносами.
3). Выявленная у белорусов основная закономерность «север - юг» является частью общего восточноевропейского тренда. Хотя в целом он имеет долготную изменчивость «юго-запад - восток» на всем пространстве Восточной Европы, но именно в той его части, где расположен ареал белорусов и их ближайших соседей, он имеет локальные широтные особенности.
4). Насколько такая картина характерна для других восточных славян? Детальный анализ русского генофонда [Балановская, Балановский, 2007] показал, для русских популяций также характерна широтная изменчивость «север-юг». Однако она является своей, собственной, характерной именно для русского генофонда: при анализе всех популяций Восточной Европы в русском ареале обнаруживается не широтный, а долготный восточно-европейский тренд «юго-запад - восток». Предполагается, что такая особенность русского генофонда связана с историей его формирования: двух потоков древних славянских племен – северного (новгородского) и южного. Вторая важная закономерность русского генофонда - ядра своеобразных значений расположены внутри русского ареала, а не на его границах. Это указывает, что не миграционные процессы, а особенности собственного саморазвития русского генофонда сформировали основной генетический ландшафт русского генофонда.
5). Итак, карты главных компонент выявляют сходство главного тренда белорусского генофонда и с русским генофондом, и со всем генофондом Восточной Европы. Это позволяет считать, что белорусский генофонд входит в генетическое пространство и русского генофонда, и генофонда Восточной Европы, а своеобразие на границах ареала белорусов обусловлено контактами с другими этносами (потоки генов).
6). Этот вывод подтвержден и другим независимым анализом – картографированием генетических расстояний. Карты расстояний от русского генофонда ярко демонстрируют, что белорусы входят в генетическое пространство русского генофонда, близкого к генофонду всех восточных славян. Причем белорусские популяции расположены ближе к средним русским показателям, чем многие русские популяции (особенно на севере и востоке русского ареала). В целом, русский генофонд наиболее полно представляет генофонд всех восточных славян, а белорусский генофонд – малую часть его изменчивости.
