Генетика, 2019, T. 55, № 5, стр. 574-582

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В работе анализировали нуклеотидные последовательности целых митохондриальных геномов (n = 557) русского населения европейской части России по данным работ [1, 9–11], а также баз данных GenBank (www.ncbi.nlm.nih.gov), mtDNA Community (www.mtdnacommunity.org) и Logan DNA Project (http://www.ianlogan.co.uk). Проанализированы митохондриальные геномы русского населения Новгородской (n = 92), Псковской (n = 68), Тульской (n = 59), Владимирской (n = 73), Калужской (n = 21), Ярославской (n = 10), Белгородской (n = 64), Орловской (n = 48), Нижегородской (n = 6), Саратовской (n = 1), Магаданской (n = 24) областей, а также с неизвестной областной локализацией (n = 91). Принадлежность большинства митогеномов (n = 466) именно русским по материнской линии устанавливалась на основании анкетирования доноров крови во время экспедиционных работ, проведенных лабораториями генетики ИБПС ДВО РАН (Новгородская, Белгородская, Орловская, Нижегородская, Саратовская, Магаданская области) и генетики человека ИОГен РАН (Псковская, Тульская, Владимирская, Калужская и Ярославская области). Часть русских митогеномов (n = 91) обнаружена в базе данных GenBank; этническая принадлежность этих образцов установлена на основании сведений, предоставленных базой данных.

Филогенетические взаимоотношения между нуклеотидными последовательностями мтДНК реконструировали с помощью метода медианных сетей [12], реализованного в пакете компьютерных программ mtPhyl v4.015 (http://eltsov.org). Полиморфизм длины в участках мтДНК 16 180–16 193, 309–315 и 514–524, а также нуклеотидные замены в позиции 16519 при построении деревьев не учитывали. Генетические дистанции ρ (и их стандартные ошибки) между последовательностями мтДНК рассчитывали как среднее число мутаций между генотипами-основателями и производными типами ДНК, входящими в состав соответствующих филогенетических кластеров ДНК [12]. Для определения эволюционного возраста монофилетических кластеров мтДНК использовали две мутационные скорости (μ), которые определяют одну нуклеотидную замену в целом митогеноме за 3624 лет [13] и одну нуклеотидную замену в кодирующей области мтДНК за 4610 лет [14].

В настоящей работе использована классификация гаплогрупп мтДНК, предложенная разработчиками ресурса PhyloTree (www.phylotree.org). Новые подгруппы мтДНК определяли в тех случаях, когда как минимум два гаплотипа объединялись с помощью как минимум одной нуклеотидной замены, произошедшей не в “горячей” точке мутаций. Монофилетические кластеры мтДНК учитывались нами как этно-специфичные, если не менее 75% гаплотипов мтДНК в кластере были характерны только для представителей определенной этнотерриториальной группы (русских, славян, славян и германцев и т.д.). Следует отметить, что аналогичный критерий для популяционной специфичности (75%) был выбран в исследованиях митохондриального генофонда финнов [15].

Для филогеографического анализа мтДНК использовали информацию об изменчивости целых молекул мтДНК у представителей различных популяций человека, согласно данным GenBank, PhyloTree, mtDNA Community и Logan DNA Project. Славянская выборка (n = 1287) представлена в анализе русскими, белорусами, украинцами, поляками, чехами, словаками, сербами, хорватами, словенцами, боснийцами и болгарами; германская выборка (n = 1331) – немцами, австрийцами, датчанами, шведами, норвежцами, голландцами и англичанами; финно-угорская выборка (n = 684) – финнами, эстонцами, саами, венграми и мордвой; балтская (n = 34) – литовцами и латышами.

Для исследования демографической истории популяций использовали основанный на данных об изменчивости митохондриальных геномов байесовский анализ графиков эффективной численности популяций. Этот подход реализован в пакете программ BEAST 1.7.5 [16]. Наиболее оптимальная модель нуклеотидных замен (HKY + G + I), характеризующаяся наименьшими значениями байесовского информационного критерия (BIC, Bayesian Information Criterion), была выбрана с помощью пакета программ MEGA 5.05 [17]. В анализе использовали строгие молекулярные часы, значение мутационной скорости, соответствующее одной нуклеотидной замене в целом митогеноме за 3624 года [13], и протяженность байесовского анализа, составляющую 100 млн циклов с отбором каждого 10-тысячного из полученных филогенетических деревьев. Для анализа данных, сгенерированных BEAST 1.7.5, применяли пакет программ Tracer 1.4. Марковские цепи MCMC (Markov Сhain Monte Carlo) считали стабилизированными, если значение параметра ESS (Effective Sample Size) для всех статистик было более 200. Изменения эффективной численности популяций оценивали не в абсолютных значениях, а с помощью пропорционального N_e параметра N_e ⋅ μ (произведение эффективной численности популяций и мутационной скорости), вычисляемого непосредственно по данным об изменчивости мтДНК с помощью пакета программ BEAST 1.7.5.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам филогенетического анализа у русских нами обнаружено 169 гаплогрупп мтДНК. Среди них абсолютное большинство подгрупп входит в состав гаплогрупп, распространенных среди населения Западной Евразии (гаплогруппы HV, H, V, J, T, U2e, U3, U4, U5, K, U8a, R1a, N1a, N1b, W, X). Анализ показал, что 9.7% митохондриальных геномов, обнаруженных у русских, формируют подгруппы мтДНК, специфичные только для русских (табл. 1). Как нами уже отмечалось ранее, понятие такого рода популяционной специфичности является довольно условным, поскольку восточная часть Европы в отношении полногеномной изменчивости мтДНК изучена намного хуже, чем западная. Поэтому нельзя исключить, что по мере увеличения данных по популяциям Восточной Европы часть вариантов мтДНК, характерных (на нынешнем этапе исследований) для русских, перейдет в разряд специфичных для финно-угорских или тюркских популяций Восточной Европы. Это же замечание относится и к вариантам мтДНК, выявленным как у русских, так и у белорусов или украинцев (подгруппы H6a1b3c, U3b1b1, U3b3a, U5a1b1b, U5a2a1c) (табл. 2). Частота таких восточнославянских подгрупп мтДНК у русских очень мала – всего около 2%. Гораздо выше (12.2%) у русских частота вариантов мтДНК, характерных для славян в целом (табл. 2). Этот результат представляется очень важным, поскольку показывает, что довольно большая фракция гаплотипов мтДНК у русских является частью общеславянского генетического пула. Это, в свою очередь, свидетельствует о реальности существования в прошлом славянской общности, в которую входили и предки русских.

Частота генетического компонента, представленного гаплотипами мтДНК, присутствующими как у русских и других славян, так и в германоязычных популяциях, составляет у русских 6.6% (табл. 2). Немного ниже у русских (5.7%) частота гаплотипов, характерных для прибалтийских финнов (финнов и эстонцев) (табл. 2). Доля вариантов мтДНК, имеющих кавказское или западноазиатское происхождение, составляет у русских всего 0.9% (это гаплотипы, относящиеся к подгруппам HV4b, R1a2, T1a2c, U1a1c1d3 и U3b2d). Между тем, частота гаплотипов мтДНК, имеющих неясное происхождение, достигает 60%. К этой категории относятся гаплотипы, обнаруженные в составе подгрупп мтДНК, распространенных в различных популяциях Европы, в связи с чем на данном уровне исследований их можно определить как общеевропейские. Однако по мере расширения выборок митогеномов из различных частей Европы вполне возможно, что некоторые из гаплотипов станут популяционно-специфичными. Вместе с тем, учитывая низкий уровень межэтнической дифференциации в Европе по распределению гаплогрупп мтДНК, можно ожидать, что существенная часть разнообразия мтДНК так и останется недифференцированной в отношении этнотерриториальной специфичности.

Результаты молекулярного датирования показывают, что возраст подгрупп мтДНК, к которым принадлежат гаплотипы, выявленные только у русских, изменяется в широком диапазоне – от 1.3 до 7 тыс. лет (для мутационной скорости, основанной на изменчивости целых митохондриальных геномов) (табл. 1). В среднем эволюционный возраст этого генетического компонента составляет 2.7 ± 0.2 тыс. лет. Подгруппы мтДНК, характерные для славян, имеют возраст от 0.6 до 12.8 тыс. лет (в среднем 3.5 ± 0.3 тыс. лет) (табл. 2). Возраст славяно-германских подгрупп мтДНК варьирует в интервале от 1 до 9.3 тыс. лет (средний возраст 4.2 ± 0.4 тыс. лет) (табл. 2). Возраст славяно-финских подгрупп мтДНК изменяется в диапазоне от 1.3 до 5 тыс. лет и составляет в среднем 2.8 ± 0.2 тыс. лет (табл. 2). Таким образом, молекулярные датировки возраста славянских и славяно-германских подгрупп мтДНК соответствуют эпохе бронзового века. Согласно данным археологии и палеогеномики, в это время (примерно 4.5 тыс. лет назад) имели место масштабные миграции носителей курганной культуры из степей Восточной Европы в Центральную Европу [6–8].

Об экспансии населения Восточной Европы в эпоху бронзового века свидетельствуют и результаты проведенного нами ранее исследования динамики эффективной численности популяций в русских популяциях [1]. На основании данных о полногеномной изменчивости мтДНК, у русских был обнаружен резкий рост N_e примерно 4.3 тыс. лет назад (95% ДИ: 2.9–5.8 тыс. лет). В настоящей работе нами исследована динамика N_e на основании анализа подгрупп мтДНК, специфичных для русских и славян. Оказалось, что в обоих случаях наблюдается резкий рост величины N_e: 4-кратный рост, начавшийся примерно 4.4 тыс. лет назад (95% ДИ: 3.8–5.0 тыс. лет) для подгрупп мтДНК, специфичных для русских, и 15-кратный рост, начавшийся примерно 5.1 тыс. лет назад (95% ДИ: 4.5–5.7 тыс. лет) для славяно-специфичных подгрупп мтДНК (рис. 1). Интересно, что байесовские графики эффективной численности, полученные для популяционно-специфичных фракций митохондриального генофонда русских, отличаются от графика, полученного в результате анализа всего набора митохондриальных геномов у русских, одной важной деталью – рост численности для подгрупп мтДНК, специфичных для русских и славян, происходит после резкого (примерно 4-кратного) снижения численности, в то время как при анализе всей совокупности митохондриальных геномов выявляется момент резкого роста численности примерно 4.3 тыс. лет назад на фоне постепенного повышения N_e, начиная с послеледникового времени (рис. 1). Эти новые данные указывают на возможность того, что росту численности населения Восточной Европы в бронзовом веке предшествовал период снижения численности, начавшийся примерно 12 тыс. лет назад и достигший максимума 4–5 тыс. лет назад.

Рис. 1.

Байесовские графики динамики эффективной численности популяций во времени, построенные по данным об изменчивости целых митохондриальных геномов. 1 – значения медианы и 95%-ного доверительного интервала с наивысшей апостериорной вероятностью (сплошные линии) для данных, полученных при анализе всего набора митохондриальных геномов русского населения. График ранее был опубликован в работе [1]; 2 – значения медианы и 95%-ного доверительного интервала с наивысшей апостериорной вероятностью (пунктирные линии) для данных об изменчивости целых митохондриальных геномов, относящихся к подгруппам мтДНК, специфичным для славян. График показывает изменение параметра N_e ⋅ μ (ось Y) во времени (ось X, в тыс. лет).

Следует отметить, что аналогичный результат в отношении динамики N_e получен и при исследовании разнообразия мтДНК у финнов [15]. Так, для фракции подгрупп мтДНК, специфичных для финнов, “бутылочное горлышко” и последующий резкий рост численности обнаружены примерно 1 тыс. лет назад, а до этого времени происходило постепенное снижение N_e, начиная с отметки в 4–5 тыс. лет назад. Вместе с тем снижение эффективной численности не наблюдалось для групп митогеномов, не относящихся к финно-специфичному компоненту. Авторы этого исследования отметили, что выявленный при исследовании финно-специфичных подгрупп мтДНК эпизод редукции популяционного размера, предшествующий периоду резкого увеличения N_e, может быть искусственным и тем самым не свидетельствовать о реально произошедшем в истории финнов периоде снижения эффективной численности, поскольку при использовании байесовского анализа динамики N_e имеются некоторые ограничения. Так, к видимым на байесовских графиках эпизодах редукции N_e может приводить наличие субструктуры популяций или отклонения при формировании выборок из популяций [18–20]. В случае анализа популяционно-специфичных подгрупп мтДНК момент редукции численности также может быть искусственным, поскольку анализируется не вся совокупность митогеномов, представляющих различные структурные компоненты генофонда, а только лишь определенная его часть, диверсификация которой началась с некоторого момента времени – как в случае подгрупп мтДНК, характерных для русских и для славян в целом. Этот вопрос требует дальнейших исследований с помощью компьютерного моделирования.

Полученные данные дают новую информацию относительно демографической истории европейцев. Так, в ряде работ отмечалось, что динамика N_e в популяциях Европы, реконструируемая по данным об изменчивости целых митохондриальных геномов и протяженных участков Y-хромосомы, существенно различается [21–23]. Для Y-хромосомы отмечался резкий рост эффективной численности, следующий после “бутылочного горлышка” 2–4 тыс. лет назад, в то время как для мтДНК в указанных выше исследованиях наблюдался только постепенный рост численности, начиная с послеледникового времени. Batini et al. [23] сделали, таким образом, вывод о том, что миграции населения с востока Европы на запад в эпоху бронзового века нашли свое отражение только в Y-хромосоме. Между тем одной из причин несоответствия демографической истории, выявляемой по мужским и женским генетическим линиям, могут быть различия в N_e, поскольку Karmin et al. [22] обнаружили, что в период 4–8 тыс. лет тому назад N_ef (для женщин) превышал N_em (для мужчин) в 17 раз. Соответственно, для проведения сравнительного анализа европейских популяций размеры выборок митохондриальных геномов должны существенно превышать таковые для Y-хромосом. Однако в исследованиях Batini et al. [23, 24] размеры популяционных выборок для мтДНК и Y-хромосомы были примерно равными и маленькими (не более 20 человек на выборку). Между тем байесовский анализ N_e больших выборок мтДНК (более 250 человек на выборку в исследованиях [1, 15]) позволил, подобно исследованиям Y-хромосомы, выявить рост эффективной численности населения Восточной Европы в эпоху бронзового века, а при анализе этноспецифичных фракций митохондриальных генофондов ([15] и настоящая работа) позволил обнаружить и редукцию N_e, предшествовавшую периоду резкого увеличения популяционного размера. Таким образом, по всей видимости, более масштабные исследования разнообразия мтДНК в популяциях Европы позволят в перспективе более корректно описать и согласовать генетическую историю, реконструируемую по данным об изменчивости мтДНК и Y-хромосомы.

Проведенный в настоящей работе анализ полиморфизма мтДНК в русских популяциях показал, что митохондриальные генофонды как многокомпонентные системы хранят в себе достаточно много информации о генетической истории. Анализ митохондриального генофонда русских позволил выявить генетические компоненты, характерные для русских и славян в целом, а также общие славяно-германские и славяно-финские компоненты, сформировавшиеся, главным образом, в бронзовом и железном веках.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 14-04-00131).