Этногеномика. 
Эволюционная геномика и базы данных для построения филогенетических деревьев

Огромное количество ДНК-маркеров, выявленное при расшифровке генома человека, стало мощным инструментом для анализа генофонда, его основных характеристик, динамики, истории и географии. Основной задачей этногеномики является изучение особенностей геномного полиморфизма и геномного разнообразия на разных уровнях популяционной системы народонаселения — отдельных популяций, этносов, этно-территориальных сообществ.

Все маркеры ДНК с позиций популяционных исследований можно разделить на три группы: маркеры митохондриальной ДНК, аутосомные маркеры, маркеры Y-хромосомы. Полиморфизм этих маркеров определяется факторами микроэволюции (миграция, селекция, генетический дрейф, мутации). Однако характер их вариабельности по-разному отражает действие и результат этих процессов (Хуснутдинова, Лимборская, 2005).

Полиморфизм митохондриальной ДНК используется в популяционных исследованиях сравнительно давно. Основной особенностью этого полиморфизма является отсутствие рекомбинации, высокий уровень изменчивости и материнский тип наследования. Y-хромосомный полиморфизм является как бы комплементарным митохондриальному — имеет отцовское наследование, но также отсутствует рекомбинация (за исключением псевдоаутосомного региона). Оба типа полиморфизма дополняют друг друга, позволяя получить информацию об отцовском и материнском вкладе в эволюцию популяций.

Обнаружено, что все человеческие мтДНК могут иметь единого предка. Секвенирование большого числа индивидуальных мтДНК показало, что африканские популяции имеют наибольшую внутреннюю гетерогенность по сравнению с популяциями других континентов. Одно из возможных объяснений — большая древность африканской мтДНК. Расчеты показывают, что дивергенция мтДНК началась около 150 000 лет назад (Horaietal., 1995). То, что многообразие ДНК африканских популяций выше, чем всех остальных, было показано и с помощью ядерных маркеров (Tishkoffetal., 1996).

На основе распределения у разных народов частот различных мутаций в Y-хромосоме и мтДНК составлена карта расселения людей с Африканской прародины. Первая волны расселения человека современного типа прошли из Африки через Азию в Астралию и в Европу. Позже, под натиском ледника, палеолитические европейцы несколько раз отступали на юг и юго-восток, заходя, возможно, даже обратно в Африку. Исследование мтДНК живших в Европе неандертальцев (удалось получить несколько образцов из найденных костных останков) показало, что они также, видимо, не внесли вклад в гены современных людей. Материнские линии человека и неандертальца разошлись около 500 тысяч лет назад, и хотя в период от 50 до 30 тысяч лет назад они обитали вместе в Европе, генетических следов их смешения (если таковое происходило) не осталось.

Следы крупнейших миграций остались в генах современных народов. Сравнивая спектр мутаций в ДНК современных европейцев и их азиатских соседей, удалось установить, что 10−20% генов было привнесено в Европу неолитическими переселенцами с Ближнего Востока около 10 тысяч лет назад. Вместе с ними в Европе появилось земледелие. Ранее предполагалось, что столь существенное изменение культуры, традиций и технологий произошло одновременно со сменой населения, то есть что палеолитические европейцы были вытеснены неолитическими пришельцами, потомки которых составляют основную часть жителей современной Европы. Геномные данные подтверждают другую гипотезу — что появление относительно небольшого числа земледельцев привело к смене типа хозяйства и культуры на всей территории Европы.

Изучение популяций американских индейцев и их связи с сибирскими народами также осуществлялось с помощью маркеров ДНК. Показано соответствие лингвистических даннх по этим народам с результатами анализа митохондриального полиморфизма (Ward, Valencia, 1996). Исследовали представителей 10 лингвистических семей (алтайцы, уральская, чукотско-камчатская, эскимосско-алеутская группы и ряд языковых семей американских индейцев). Оказалось, что на основе анализа мтДНК наиболее отдаленными оказались представители алтайской языковой группы, затем уральской. Дивергенция мтДНК в популяциях лингвистических ветвей Беринги была значительно ниже, чем в лингвистических ветвях американских индейцев. Сделано предположение, что языковая эволюция популяций Нового Света происходила с очень разной скоростью на фоне более или менее равномерной генетической эволюции. Отделение американских индейцев от остальных групп произошло не менее 14,5 млн. лет назад, если принять, что скорость мутации митохондриального генома равна 1% за 8900 лет.

Среди монолокусных аутосомных маркеров ДНК выделяют две группы: диаллельные и мультиаллельные. Диаллельные маркерыпредставлены однонуклеотидными заменами и инсерционно-делеционным полиморфизмом. Мультиаллельные маркеры включают в себя тандемно организованные повторяющиеся последовательности минии микросателлитов. Примером диаллельного полиморфизма ДНК является инсерционно-делеционный полиморфизм в гене рецептора хемокинов CCR5. Данный рецептор используется вирусом ВИЧ-1 для проникновения в клетки. Ген рецептора CCR5 — CMKBR5 локализован в 3 хромосоме. В 1996 году в гене CMKBR5 обнаружена делеция 32 пар нуклеотидов, что препятствует взаимодействию рецептора с вирусом и тем самым определяет устойчивость к инфекции ВИЧ-1. Мутантный аллель обнаружен с частотой от 2 до 15% в европейских популяциях и у белых американцев, тогда как в популяциях коренного населения Африки и Японии он не выявлен. Среди коренного населения континентальной Азии делеция встречается гораздо реже, по сравнению с европейскими популяциями (не более 5%). Таким образом, обнаружено расово-диагностическое свойство данного полиморфизма (Галеева и др., 1998; Limborskayaetal., 2002).

Вторым типом диаллельного полиморфизма является однонуклеотидный полиморфизм — единичные или точковые нуклеотидные замены. В геноме человека встречается огромное количество таких замен. В некоторых случаях точковые замены происходят в сайтах рестрикции, в результате чего соответствующая рестриктаза не может их узнать. В других случаях, наоборот, точковая мутация приводит к возникновению нового сайта рестрикции. Обе ситуации могут быть использованы для оценки полиморфизма генома. Примером однонуклеотидного полиморфизма может служить ген рецептора дофамина D2. Дофамин является одним из ключевых медиаторов нервной системы, участвующих в передаче нервных импульсов. Обнаружена функциональная, биохимическая и фармакологическая гетерогенность дофаминовых рецепторов, которые разделены на D1-подобные и D2-подобные семейства рецепторов. Из них рецептор D2 отличается высоким сродством к психоактивным веществам, особенно к алкоголю, поэтому ген рецептора дофамина D2 рассматривается в качестве одного из основных генов-кандидатов формирования алкогольной зависимости. Ген рецептора дофамина (DRD2) характеризуется однонуклеотидными полиморфизмами в виде полиморфизма длин рестрикционных фрагментов Taq1A и NCO1. Обнаружены популяционные различия в распределении частот аллелей и генотипов гена DRD2. Для Taq1A полиморфизма гена DRD2 частота аллеля А1 среди белых европейцев в среднем равна 0,25, а в популяциях коренных жителей Японии его частота выше (0,38) (Chenetal., 1997).

Полиморфизм мультиаллельных локусов довольно высок, поэтому информативность мультиаллельных маркеров весьма значительна. Примером подобного маркера можно рассмотреть микросателлитные триплетные повторы в гене миотонической протеинкиназы. Этот повтор находится в некодирующей области гена. Его значительная экспансия (удлинение) приводит к миотонической дистрофии. Однако данный микросателлитный локус в норме ведет себя как нейтральный маркер и может быть использован в популяционных исследованиях. Количество аллельных вариантов в различных популяциях достигает 20. У русских наиболее часто встречается пятичленный повтор (мажорный аллель), его частота в популяциях славян достигает 40, а иногда 50%. Значимыми аллелями является группа аллелей с числом повторов от 11 до 14. У башкир, как и у многих других уральских народов, частота пятичленного повтора уменьшается (Tishkoffetal., 1996).

В перспективе можно ожидать большее применение методов этногеномики в исследованиях, связанных с экологической генетикой, актуальным является сопоставление геногеографического распределения конкретных генов с факторами внешней среды.

Другой перспективной этногеномики можно считать ее дальнейшее развитие в направлении медицинской генетики, особенно в области изучения наследственной патологии и генетических факторов предрасположенности к распространенным мультифакториальным заболеваниям. Популяционная характеристика маркеров, сцепленных с генами предрасположенности, в сочетании с анализом параметров внешней среды позволит выявить новые важные закономерности, влияющие на здоровье человека.