Роль географической подразделенности и лингвистического родства в формировании генетического разнообразия населения Кавказа

Актуальность проблемы.

Изучение генетической изменчивости народонаселения и факторов формирования его генофонда является одним из перспективных направлений современной генетики — о его актуальности свидетельствуют многочисленные популяционно-генетические исследования народов всего мира. История формирования генофонда населения Кавказа представляет собой одну из сложнейших фундаментальных проблем, причем в ее решении важная роль отводится популяционной генетике, которая стала новым историческим источником благодаря использованию «однородительских» генетических маркеров.

Основной массив публикаций о генофондах народов мира в настоящее время опирается на «однородительские» маркеры (митохондриальной ДНК и У хромосомы), причем особое внимание уделяется № 1У нерекомбинирующей части У хромосомы. Отсутствие рекомбинации обеспечивает передачу в поколениях от отцов к сыновьям единого гаплотипа У хромосомы. Это позволяет реконструировать родословные не только индивидов, но и «родословные» самих гаплотипов >ШУ: усилиями мирового сообщества реконструированы основные черты филогенетического древа всего человечества, отображающее порядок происхождения гаплотипов друг от друга. Методы филогенетики (анализа родства гаплотипов) и геногеографии (распределения этих гаплотипов в географическом пространстве) позволяют выявлять миграции населения, а анализ филогенетических сетей У гаплотипов — выявлять эффекты основателя и дрейфа генов. Второе важное свойство гаплогрупп У хромосомы — огромная межпопуляционная изменчивость, которая у народов с патрилокальной традицией оказывается на порядок выше, чем изменчивость митохондриальной ДНК и аутосомных маркеров. Благодаря этим свойствам, маркеры Y хромосомы считаются наиболее эффективными для выявления структуры популяций и факторов микроэволюции (миграций и дрейфа1 генов), а изучение филогеографии NRY признано одним из актуальных и приоритетных направлений в мировой науке.

К настоящему времени общее представление о полиморфизме Y хромосомы получено практически для всех крупных регионов Евразии, и популяционно-генетические исследования переходят на новый уровеньдетального исследования этнических генофондов на основе больших и тщательно собранных выборок из разных частей этнического ареала, анализа взаимосвязей между этносами и реконструкции истории формирования их генофондов. Так, структура генофонда Балкан детально анализируется как минимум в 17 работах, посвященных полиморфизму Y хромосомыне менее подробно изучены регионы СредиземноморьяЗападной и Восточной Европы, Передней Азии. Тем более заслуживает детального анализа уникальный генофонд Кавказа, объединяющий две части света — Европу и Азию. Именно в этом русле проведено данное исследование, основной задачей которого стало не только создание генетических портретов народов Кавказа, но. и анализ генетических процессов, сформировавших генетическое разнообразие и региональную структуру кавказского генофонда.

Исследования изменчивости Y хромосомы в населении Кавказа проведены рядом авторов — И. Насидзе [Nasidze et al., 2003; 2004 и др.], К. Б. Булаевой (совместно с университетом Pisa, Италия) [Tofanelli et al., 2009; Caciagli et al., 2009; Bulayeva et al., 2006, 2007 и др.], научного коллектива под руководством Э. К. Хуснутдиновой [Юнусбаев, 2006; Литвинов, 2009; Боготова, 2009; Кутуев и др., 2010; Кутуев, 2010]. Данные по отдельным кавказским популяциям появлялись в статьях, посвященных изучению Y хромосомы в масштабе целых континентов [Semino et al., 2000, 2004; Wells et al., 2001; Cinnioglu et al., 2003; Di Giacomo et al., 2004; Cruciani et al., 2007; 4.

ВаПафа е1 а1., 2008]. Однако почти все работы проведены с невысоким филогенетическим разрешением — не глубже, чем уровень крупных гаплогрупп в, Л, 32. Это позволило создать общее представление о генофонде населения Кавказа, но не разрешило выявить региональную структуру его генофонда, оценить время и структуру миграционных потоков. Поэтому данное исследование направлено на решение именно этих актуальных задач. Например, предыдущими исследователями [Насидзе и др., 2003, 2004 а, бКутуев и др., 2010; Кутуев, 2010] сделан важный вывод, что определяющим фактором в формировании генофонда Кавказа является географическое соседство, а не лингвистическое родство. Однако решение этого принципиального вопроса — о роли географии и лингвистики — требует сотрудничества с лингвистами и специальных подходов, которым в данной работе уделено большое внимание. Цель исследования.

Изучить региональную структуру генофонда народов Кавказа, его положение в системе Евразийских генофондов, роль миграций, дрейфа генов, факторов географической близости и лингвистического родства в формировании кавказского генофонда по данным о полиморфизме У хромосомы.

Задачи исследования.

1. Выявить региональное деление генофонда Кавказа на основе анализа большого массива данных по обширной панели (40 ЭИР и 17 БТЯ) маркеров У хромосомы — около 2000 образцов из 22 популяций 13 этносов: шапсугов, абхазов, черкесов, осетин, ингушей, чеченцев, аварцев, даргинцев, кубачинцев, кайтагцев, лезгин, армян (представляющих Закавказье), казаков (представляющих русский этнос на Кавказе).

2. На основе обширной базы данных о полиморфизме У хромосомы в Евразии выявить положение Кавказа среди Евразийских генофондов и определить источники миграций, сыгравшие ведущую роль в формировании генофонда Кавказа.

3. Создать картографический атлас распространения гаплогрупп У хромосомы на Кавказе и в смежных регионах, проследить миграционные потоки и взаимосвязи региональных генофондов.

4. Методом филогенетических сетей проанализировать изменчивость 968 вариантов 8ТЯ гаплотипов в пределах 29 гаплогрупп, выявить кластеры сходных гаплотипов, дать генетические датировки возникновения кластеров на основе «эволюционной» и «генеалогической» скоростей мутаций.

5. Выявить роль лингвистического родства в формировании генетического разнообразия народов Кавказа: сравнить матрицы расстояний генетических и лингвистических (% заимствованных слов) — сопоставить генетические, лингвистические и исторические датировки.

6. Оценить роль географического соседства и лингвистического родства в формировании кавказского генофонда. На основе совокупности полученных данных оценить соотношение факторов популяционной динамики — миграций и дрейфа генов — в народонаселении Кавказа.

Научная новизна.

Впервые, благодаря анализу большого массива данных на уровне глубокого филогенетического разрешения гаплогрупп У хромосомы, выявлено подразделение генофонда населения Кавказа на четыре лингвистико-географических региона. Генофонд каждого из выявленных регионов охарактеризован по репрезентативной выборке (300−500 человек). Впервые показано, что генофонды Западного и Центрального Кавказа резко различаются.

Впервые для населения Кавказа проведено сравнение количественных показателей сходства языков (% заимствованных слов) и сходства генофондов на двух уровнях изучения У хромосомы: а) 8ИР гаплогрупп 6 сравнение матриц межэтнических расстояний) — б) БТЯ гаплотипов (сравнение датировок ветвлений лингвистических и генетических родословных деревьев). Обнаружена тесная связь между генетическими и лингвистическими реконструкциями происхождения народов Кавказа и ведущая роль лингвистического, а не географического, фактора в формировании их генофонда.

Впервые для генофонда Кавказа проведено сравнение эффективности «эволюционной» и «генеалогической» скоростей мутаций БТЯ маркеров У хромосомы и показано хорошее согласие с лингвистическими и историческими датировками «генеалогической» скорости.

Впервые созданы филогенетические сети гаплотипов для 11- основных гаплогрупп населения Кавказа и выявлены кластеры гаплотипов, специфичные для отдельных народов на основе информации о 2000 их представителей.

На основе обширной базы данных о полиморфизме У хромосомы впервые создан картографический Атлас генофонда Кавказа и сопредельных регионов Европы и Передней Азии, который позволяет прослеживать миграционные потоки и служит новым историческим источником при реконструкции истории народонаселения Евразии. Научно-практическая значимость.

Созданная база данных о генофонде 13 народов Кавказа является основой для медико-генетического и эколого-генетического мониторинга. Тщательно собранные ДНК коллекции мужского контингента с учетом родословных пробандов служат залогом дальнейших масштабных популяционных и медико-генетических исследований по широкому спектру ДНК маркеров — Х-хромосомы, полногеномного анализа мтДНК и аутосомных ДНК маркеров. Такая база данных особенно важна в условиях нестабильной ситуации на Кавказе, когда целый ряд популяций оказывается недоступен для генетического обследования. 7.

Оригинальный картографический Атлас генофонда Кавказа и сопредельных регионов, основанный на совокупности всей накопленной информации о полиморфизме У хромосомы, является новым историческим источником о путях формирования генофондов Евразии. Он позволяет объединить усилия специалистов в различных областях естественных и гуманитарных наук для комплексного решения проблем народонаселения России и сопредельных стран. Генетические датировки событий этногенеза народов Кавказа, согласующиеся с новейшими данными компаративистики и глоттохронологии, станут новым инструментом в работе антропологов, этнографов, лингвистов и археологов.

База данных о характеристиках огромного массива (около 2000) представителей 13 народов Кавказа по стандартной панели 17 ЭТЯ маркеров У хромосомы, используемой в судебной экспертизе (У-Шег), является уникальной референтной базой данных для судебной экспертизы.

Вся совокупность полученных результатов имеет важное научно-практическое значение, поскольку его результаты могут быть применены в разных областях науки и ее практических приложений: в генетике, медицине, истории, этнографии, медико-генетическом консультировании, судебно-медицинской экспертизе, при планировании исследований в области эпидемиологии наследственной патологии. Результаты работы уже востребованы рядом научных коллективов России и зарубежных стран: Московским госуниверситетом им. М. В. Ломоносова, Институтом общей генетики РАН, Южным научным центром РАН, Харьковским государственным университетом, Кубанским государственным медицинским университетом, Адыгейским государственным университетом, Ливанским Американским Университетом, Институтом молекулярной биологии Национальной Академии наук Республики Армения.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Генофонд народонаселения Кавказа сформирован древними миграциями из Передней Азии, которые сыграли важную роль лишь на самых первоначальных этапах становления генофонда Кавказа. Последующие этапы представляли собой самостоятельное развитие кавказского генофонда в условиях преобладания дрейфа генов над миграциями. Население Европы по данным о полиморфизме Y хромосомы сыграло крайне незначительную роль в формировании генофонда Кавказа.

2. В генофонде Кавказа четко очерчены четыре лингвистико-географических региона (абхазо-адыгский, ираноязычный, нахский, дагестанский), для каждого из которых характерен собственный доминирующий вариант Y хромосомы.

3. Роль лингвистической организации популяций в формировании генетического разнообразия населения Кавказа велика: «значение лингвистического родства выше, чем географического соседства. Комплексный генетический и лингвистический анализ позволяет датировать события формирования генофонда народов Кавказа.

Апробация работы.

Результаты исследований были представлены на V Съезде Вавиловского общества генетиков и селекционеров (Москва, 2009), VIII Конгрессе этнографов и антропологов России (Оренбург, 2009), Международной конференции «Человек: его биологическая и социальная история» (Москва,.

2009), конференции молодых ученых МГНЦ РАМН (Москва, 2009), VI Съезде Российского общества медицинских генетиков (Ростов-на-Дону,.

2010), VIII Курчатовской молодежной научной школе (Москва, 2010), на ежегодных международных конференциях по проекту «The Genographic» (Таллинн, 2008; Шанхай, 2009; Аделаида, 2010).

Личный вклад автора.

Автор участвовал на всех этапах анализа — от экспедиционного обследования популяций до ведения баз данных о полиморфизме ЭЫР и БТЯ маркеров У хромосомы в изученных популяциях.

Автор участвовал в экспедиционном обследовании генофондов осетин, кубачинцев, кайтагцев, чеченцев, казаков, а также народов Евразийской степи (караногайцев, калмыков и казахов), информация о которых важна для анализа положения Кавказа в Евразийском генофонде. Все дальнейшие этапы технологического процесса анализа У хромосомы проведены с активным участием автора — выделение ДНК, измерение концентраций, создание рабочих и архивных коллекций, генотипирование БЫР и 8ТЯ маркеров, ведение ряда баз данных: анкетной информации, коллекций ДНК, генотипирования маркеров, сводной информации по всем маркерам.

Автором проведен весь объем статистического и картографического анализа — от расчета частот аллелей до многомерного статистического анализа методами генетических расстояний, кластерного анализа, многомерного шкалирования, АМОУА, корреляционного анализа, создания филогенетических сетей, картографического Атласа Кавказа по У хромосоме и банка данных о полиморфизме митохондриальной ДНК и У хромосомы в населении Кавказа.

Публикации.

Основные результаты исследования опубликованы в 8 научных работах, включая 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ для защиты диссертаций.

Глава 2. ФОРМИРОВАНИЕ ГЕНОФОНДА НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ КАВКАЗА.

выводы.

1. Анализ SNP и БТЫ полиморфизма У хромосомы для 1917 представителей 22 популяций Кавказа выявил, что его популяции четко подразделены на 4 лингвистико-географических региона — в генофонде каяедого преобладает лишь один вариант У хромосомы. Впервые показано, что генофонды Западного и Центрального Кавказа резко различаются: популяции Западного Кавказа характеризует гаплогруппа С2аЗЬ-РЗОЗ, в популяциях Центрального Кавказа — гаплогруппа С2а1а-Р18.

2. Уникальный по полноте используемых данных сравнительный анализ с генофондами Евразии показал, что и по спектру У гаплогрупп, и по их частотам популяции Кавказа отличаются от генофонда Европы и обнаруживают древние связи с генофондом Передней Азии. При этом межпопуляционные различия на Кавказе превышают аналогичные показатели и для Европы, и для Передней Азии, свидетельствуя об интенсивных процессах дрейфа генов в популяциях Кавказа.

3. Сравнение количественных показателей сходства языков (доля общих слов) и сходства генофондов (У гаплотипы) народов Кавказа, матриц межэтнических расстояний, датировок ветвлений лингвистических и генетических деревьев родства популяций, анализа межпопуляционного разнообразия (АМОУА) впервые обнаружило ведущую роль лингвистического фактора в формировании генетической структуры Кавказа.

4. Анализ 1917 вТЫ гаплотипов выявил 18 крупных кластеров, каждый из которых специфичен для отдельных народов (осетин, чеченцев, шапсугов, черкесов, лезгин и т. д.). Большинство генетических датировок этих кластеров, полученных при использовании «генеалогической» скорости мутирования, в большей степени соответствуют лингвистическим и историческим датировкам, чем «эволюционные» .

5. Совокупность результатов по SNP и вТИ полиморфизму У хромосомы свидетельствует, что население Кавказа сформировалось в ходе заселения из Передней Азии в верхнем палеолите, а последующие миграции как из Европы, так и из Азии оказали весьма ограниченное влияние. Основным фактором микроэволюции на Кавказе стал дрейф генов в сочетании с географической изоляцией, что привело к параллелизму в генетической и лингвистической структуре.