Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные черты митохондриального генофонда восточных славян

Балановский О.П., Пшеничнов А.С., Фролова С.А., Кузнецова М.А., Дибирова Х.Д., Васинская О.А., Кошель С.М., Запорожченко В., Чурносов М.И., Атраментова Л.А., Утевская О., Евсеева И.В., Тегако О., Почешхова Э.А., Микулич А.И., Виллемс Р., Балановская Е.В.

г. Москва

Основное содержание исследования

Впервые по маркерам митохондриальной ДНК проведено подробное изучение обширных выборок из генофонда восточнославянских народов: образцы ДНК 2396 тщательно отобранных представителей коренного населения из 23 популяций русских, украинцев и белорусов охарактеризованы по изменчивости ГВС1 и набору филогенетически информативных SNP маркеров.

Результаты статистического анализа показали большую степень сходства всех восточнославянских популяций друг с другом. К ним оказались очень близки и западные славяне, а также южнославянские и неславянские народы Балканского полуострова. Что же касается неславянских народов Восточной Европы, то популяции Волго-Уральского региона (волго-финские и тюркские народы), а также западно-финские народы демонстрируют отличия от генофонда восточных славян. Мы трактуем это как результат недавнего (в генетическом масштабе времени) появления восточных славян на своем нынешнем ареале. Показана гомогенность генофонда белорусов, при выявлении небольших различий между северными и южными белорусами. Обнаружено сходство генофонда украинцев с населением более северных территорий (Польши, Белоруссии и юга России). Северные русские популяции за счет интенсивной ассимиляции автохтонного населения отличаются от основной массы восточных славян.

Ключевые слова: восточнославянские народы, митохондриальная ДНК, геногеография, русские, украинцы, белорусы, генофонд

Комплексное изучение популяций восточных славян представляет важную фундаментальную проблему, новые возможности для решения которой появились благодаря бурному развитию ДНК-технологий. Изучение этногенеза и этнической истории народов традиционно проводится рядом взаимодействующих дисциплин - археологией, историей, лингвистикой, этнографией, физической антропологией. Популяционно-генетическое изучение изменчивости ДНК маркеров неотделимо от антропологических исследований, поскольку также опирается на биологическую изменчивость популяций, только имеет дело не с фенотипическими (внешними) признаками, а с ДНК маркерами. Молекулярно-генетическое изучение популяционных генофондов с каждым десятилетием занимает все более важное место в системе наук о народонаселении и решает, на наш взгляд, две задачи.

При решении первой - наиболее популярной - задачи сведения о генофонде становятся еще одним историческим источником. Например, сведения о генетическом сходстве двух соседних популяций свидетельствуют об их общем происхождении, а бесспорно доказанное генетическое сходство двух удаленных популяций является основанием для выдвижения гипотезы об имевшей место миграции.

Вторая задача является уже собственной задачей популяционной генетики: изучить структуру генофонда и закономерности ее изменения. Логически эта задача является первостепенной, поскольку только после получения и осмысления собственных данных популяционная генетика может предоставлять свои результаты и выводы в пользование смежным наукам.

В данном исследовании мы попытались решить обе задачи применительно к восточнославянским народам, подробное изучение которых является традиционным для российской науки. Но генетические данные о них на момент начала нашего исследования были представлены в мировой литературе лишь фрагментарно, и в результате огромный славянский мир, занимающий почти половину Европы, исчезал из современных знаний о генофонде населения. Из всего спектра генетических маркеров мы выбрали митохондриальную ДНК как один из наиболее эффективных инструментов современной генетики. Кроме того, мы провели сравнительный анализ и с имеющимися в литературе данными по второй информативной генетической системе - Y хромосоме, а также и генетическими системами третьего типа - аутосомными ДНК-маркерами.

В ходе предварительной работы, потребовавшей многих лет и неоднократных экспедиций, нами собраны уникальные по объему (2396 человек) и географическому охвату коллекции биологических образцов от коренного населения - русских, украинцев и белорусов. Экспериментальный анализ митохондриальной ДНК в созданных ДНК коллекциях выполнен во многом при поддержке Российского гуманитарного научного фонда и благодаря сотрудничеству с Эстонским биоцентром. Это позволило сделать митохондриальные генофонды восточнославянских народов одними из наиболее подробно изученных этнических генофондов мира. Анализ полученных данных проведен как статистическими, так и картографическими методами (созданный картографический Атлас опубликован на сайте нашего коллектива www.genofond.ru). Он позволил не только выявить строение генофонда, но и воочию увидеть его закономерности на географической карте.

Полученные данные находят широкий спектр приложений - от эколого-генетического мониторинга и судебно-медицинской экспертизы до преподавательской деятельности и популяризации научных исследований. В данной же статье анализ полученных данных проводится в основном аспекте - исторической геногеографии. Его цель - приблизиться к пониманию того, какие исторические процессы в народонаселении (в первую очередь, соотношение исторических миграций и частичной изоляции популяций) сформировали наблюдаемую картину генофонда.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Изученные выборки

В ходе исследования впервые проведено изучение генофонда восточных славян по большим выборкам из основных региональных групп русских, украинцев, белорусов. Нами исследованы тринадцать русских, пять украинских и пять белорусских популяций. В таблице 1 приведена характеристика изученных популяций. В ней (и в последующем анализе) две популяции из Западной Украины рассматриваются суммарно: увеличение объема выборки обеспечивает более высокую статистическую достоверность результатов. Суммарно нами проанализированы почти две с половиной тысячи образцов.

митохондриальный генофонд восточнославянский народ маркер

Таблица 1. Изученные популяции русских, украинцев и белорусов.

Эта огромная по меркам современной популяционной генетики выборка была дополнительно расширена за счет привлечения опубликованных данных других авторов. Сравнительно с объемами нашего исследования их немного - суммарно 360 образцов. Это: данные по двум северным русским популяциям (Belyaeva et al., 2003; Tonks et al., 2006), по населению Ростовской области (Kornienko et al., 2004; Richards et al., 2000) и белорусам Бобруйска (Behar et al., 2006). С учетом этих данных общая анализируемая выборка по восточным славянам составляет 2756 образцов.

В работах Б.А. Малярчука также проанализировано около 500 образцов из различных областей Европейской части России, но, к сожалению, недостаточно тщательная стратегия формирования этих выборок (анкетирование лишь по родителям или даже по месту рождения самого пробанда) делает их несопоставимыми с нашими данными. По сходным причинам мы не рассматриваем и 101 образец, опубликованный в работе Орехова (Orekhov et al., 1999). Две другие имеющиеся в литературе небольшие выборки (русские Магадана - 50 чел, и русские Башкирии - 83 чел) не включены в наше исследование, поскольку представляют русские популяции, проживающие за пределами исторического русского ареала. Таким образом, нами проведен тщательный скрининг литературы и отобраны популяции, способные повысить информативность проводимого исследования, но в целом наша работа основана преимущественно на собственных результатах (90% от суммарной анализируемой выборки).

Подчеркем, что принципиальной особенностью анализируемого материала является не столько его объем, сколько качество сформированных выборок и их география.

Для выявления географической структурированности восточнославянского генофонда было необходимо охватить всю обширную территорию расселения восточных славян, для чего требуется анализ многочисленных популяций. Без детальной характеристики различных региональных групп русского, украинского и белорусского народов изучение их генофонда невозможно. Наше исследование проведено в пределах исторического ареала восточнославянских народов, и намеренно не включило русские популяции Урала, Сибири, Средней Азии, сформировавшихся относительно поздно: их генофонд отражает не столько историю формирования русского народа, сколько историю его позднейшей экспансии.

Та же цель - выявить не сиюминутный портрет генофонда, а его исторически устойчивые черты - определила и подход к формированию выборок. В обследование включались только те люди, оба дедушки и обе бабушки которых родились на территории данного изучаемого региона и относили себя к данному народу. Этот принцип "анкетирования до третьего поколения" в последние годы становится общепринятым в мировой науке, а нашим коллективом применялся, начиная с наших первых же экспедиций на Кавказе в 90х годах. Также в обследование не включались родственники (как минимум до третьего поколения) - их заведомое генетическое сходство могло бы сместить и исказить получаемые генетические характеристики популяции. Во всех популяциях проводился забор венозной крови, который всегда сопровождался письменным информированным согласием.

Столь строгие требования к сбору первоначального биологического материала потребовали значительных и постоянных усилий для организации и проведения множества экспедиций, которые для восточных славян начались в 2000 году и проводятся нашим коллективом ежегодно по настоящее время.

Лабораторный анализ

Генотипирование митохондриальной ДНК выполнено на уровне общепринятых мировых стандартов: проанализирован первый гипервариабельный регион митохондриальной ДНК (ГВС1 мтДНК) и проведен анализ отдельных SNP маркеров кодирующей части мтДНК. Секвенирование ГВС1 выполнено в интервале от 16024 до 16400 позиции скорректированной последовательности мтДНК [8]. Определение основных гаплогрупп проведено по данным о SNP маркерах согласно общепринятой классификации [18], тогда как отнесение образца к филогенетической ветви внутри гаплогруппы выполнено по данным о характерных мутационных заменах в ГВС1.

Генотипирование пяти русских, двух белорусских и пяти украинских популяций выполнено в Эстонском биоцентре О.П. Балановским и А.С. Пшеничным; генотипирование остальных популяций выполнено в Медико-генетическом научном центре РАМН С.А. Фроловой (секвенирование), О.А. Васинской, М.А. Кузнецовой и Х.Д. Дибировой (анализ SNP-маркеров). Секвенирование в обеих лабораториях проводилось одинаковым методом на секвенаторах Applied Biosystems 377/3130/3130xl с использованием наборов Applied Biosystems BigDye 1.1 /3.1, следуя инструкциям производителя. Анализ SNP маркеров в Эстонском биоцентре выполнен методом ПЦР-ПДРФ, а в МГНЦ РАМН - частично методом ПЦР-ПДРФ, но в основном с использованием технологии TaqMan (на приборе для ПЦР в реальном времени AB 7900HT).

Методы анализа данных

Методы, примененные для анализа полученного обширного массива данных, можно подразделить на две группы: статистические и картографические.

Статистические методы включили: расчет матрицы попарных генетических расстояний (по Нею) между изученными популяциями, выполненный с помощью программы DJ, созданной нашим коллективом, и визуализацию созданной матрицы методом многомерного шкалирования, выполненного с помощью пакета Statistica 6.0.

Картографический анализ включил создание карт распространения основных гаплогрупп в ареале восточных славян и соседних популяций. Определение географических координат изученных популяций проведено с помощью электронного атласа Microsoft Encarta, а построение геногеографических карт - с помощью разрабатываемого нашим коллективом геногеографического программного пакета GeneGeo. Часть карт созданного Атласа размещена на сайте www.genofond.ru.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Спектр гаплогрупп у восточных славян

Нами изучен состав гаплогрупп мтДНК в 23 популяциях восточнославянских народов. Средние частоты гаплогрупп мтДНК у восточных славян представлены в таблице 2. Большое число обнаруженных гаплогрупп принято в первом приближении объединять в два класса:: восточно-евразийские гаплогруппы (наиболее распространенные у народов Восточной Азии и Сибири) и западно-евразийские (свойственные народам Европы, Передней и Южной Азии).

Таблица 2. Частоты гаплогрупп мтДНК у восточных славян.

Как следует из таблицы 2, восточные славяне целиком относятся к западному кругу популяций, поскольку западно-евразийские гаплогруппы составляют подавляющее большинство в их генофонде, а суммарная доля восточных гаплогрупп не достигает даже двух процентов (табл.2). В пределах западно-евразийских популяций по спектру гаплогрупп можно выделить две основных региональных группы - переднеазиатские и европейские народы. При таком делении восточные славяне полностью примыкают к генофонду европейских популяций (что, например, очевидно по сравнительно невысокой частоте типично "переднеазиатской" гаплогруппы J). Далее в пределах Европы простое рассмотрение частот гаплогрупп неинформативно, поскольку все европейские народы практически идентичны по спектру и очень похожи по частотам гаплогрупп мтДНК: такая высокая гомогенность митохондриального генофонда Европы была даже предметом специальных публикаций [15, 16]).

Поэтому для выявления взаимного сходства и различий отдельных европейских популяций необходимо проводить специальный анализ, что сделано нами с использованием как картографических, так и статистических методов.

География митохондриальной ДНК в восточнославянских популяциях

Одной из задач данного исследования было представить его результаты не только в виде данных, понятных узкому кругу специалистов, но и в виде универсального электронного картографического Атласа. Такой Атлас реализован на страницах нашего сайта www.genofond.ru, и содержит карты распространения основных гаплогрупп мтДНК в масштабе Евразии. Это делает полученные результаты доступными не только генетикам, но и представителям смежных наук о человеке (медицины, археологии, лингвистики, физической антропологии), которые, в силу трудности чтения узкоспециальной генетической литературы для неспециалиста, обычно вынуждены черпать сведения о генофондах из устаревших и не всегда достоверных источников.

Рассмотрим для примера только три карты из 35 карт, опубликованных на сайте, причем применительно к географическому масштабу данной работы приведем карты не для Евразии в целом, а для региона Восточной Европы (рис.1-3). На всех картах изученные популяции восточных славян отмечены звездочками. При построении карт учитывались и данные по неславянским народам Восточной Европы (эти популяции показаны треугольниками). Такое рассмотрение восточных славян на фоне остальных генофондов Восточной Европы делает картографический анализ наиболее информативным.

Карта распространения гаплогруппы H (рис.1) показывает ее высокую частоту у восточных славян (более 35%) и резкое снижение к востоку (20% и ниже в районе Урала). Внутри восточнославянского ареала более южные популяции (украинцы, часть белорусов, самые южные русские популяции) характеризуются несколько более низкими частотами гаплогруппы H, чем северные белорусы и большинство русских популяций. Отметим, что без картографирования, опираясь лишь на табличные данные, обнаружить эту географическую закономерность было невозможно.

Другой пример - распространение гаплогруппы С (рис.2). Эта типичная "сибирская" гаплогруппа обладает противоположным генетическим ландшафтом. Частоты гаплогруппы С высоки за Уралом, снижаются в Волго-Уральском регионе и низки у восточных славян.

Еще одна гаплогруппа V представлена на рис.3. Она имеет более сложный характер распространения. Ее частота повышена в южных районах и снижена в северных. Исключением - и очень ярким - являются саамы, у которых частота этой гаплогруппы резко возрастает, достигая своего мирового максимума [2].

В последующем изложении мы будет пользоваться этими результатами, но важно отметить, что созданный Атлас имеет самостоятельную научную ценность: освещая структуру восточноевропейского генофонда, он позволяет изучать целый ряд вопросов, не затрагиваемых нашим исследованием.

Рис.1. Карта распространения гаплогруппы H мтДНК в Восточной Европе

Рис.2. Карта распространения гаплогруппы С мтДНК в Восточной Европе

Рис.3. Карта распространения гаплогруппы V мтДНК в Восточной Европе

Генетические взаимоотношения восточных славян и соседних групп

Применение разработанной нашим коллективом базы данных, содержащей практически всю опубликованную информацию по генофондам народов Европы, позволило получить четкую картину их генетических взаимоотношений, представленную на рис.4. При построении этого графика мы избегали его чрезмерной перегрузки точками-популяциями и потому намеренно оставили лишь те, которые имеют непосредственное отношение к этногенезу и этнической истории восточной ветви славян. Эти группы перечислены в легенде к рисунку и занимают обширный ареал от Балканского полуострова на юго-западе до Уральского хребта на востоке.

Общая структура генофонда, выявляемая этим анализом, сводится к трем основным кластерам (группам генетически сходного населения): Приуральскому, Восточно-европейскому и Северно-европейскому. В Приуральский кластер вошли восточные финно-угорские (марийцы, коми) и тюркские народы Приуралья (татары, чуваши). В Восточно-европейский кластер вошли западные и восточные славяне, а также народы Балканского региона. В Северно-европейский кластер вошли западные финно-угорские народы и северные русские. Из народов Кавказа два (осетины и армяне) в целом близки к восточно-европейскому кластеру, но другие народы Кавказа оказались ближе к народам Передней Азии, генетически весьма удалены от генофонда Восточной Европы и потому не могут быть отображены в "генетическом масштабе" данного графика.

Условные овалы на рис.4 показывают примерное генетическое пространство, популяции которого относятся к каждому их трех перечисленных кластеров. Легко заметить, что три популяции не относятся ни к одному из них. Первая из них (белорусы Бобруйска) была изучена другими авторами и в частотах гаплогрупп "прочие" гаплогруппы достигают высокой величины - 17%, что видимо, связано с методическими особенностями генотипирования или со сложностями конвертации информации в базу данных.

Это означает, что особость этой популяции - кажущаяся, и вызвана она, скорее всего, техническими причинами. Что касается татар-кряшен, то они генетически удалены от всех других изученных нами популяций татар, но приближены к русским, что, возможно, является результатом смешанных браков с единоверным русским населением в течение последних двух-трех столетий.

Наконец, особое положение мордовской популяции не находит однозначного объяснения, хотя, по нашему мнению, вызвано особенностями стратегии формирования этой выборки авторами публикации [4].

Рисунок 4. График многомерного шкалирования популяций Восточной Европы

Итак, по результатам анализа митохондриальной ДНК выявляется единая, генетически гомогенная балто-славянская общность, к которой тяготеют также и популяции Балканского региона. От этой общности отличаются финно-угорские и тюркские народы Восточной Европы, генофонд которых, в свою очередь, подразделяется на западную и восточную части. Сравнение расположения популяций в генетическом пространстве и на географической карте показывает сходство в основных чертах (чтобы увидеть это сходство, достаточно допустить, что "восток" в генетическом пространстве находится слева, а "север" - внизу). Лишь восточные славяне, которые географически должны бы тяготеть к Приуральскому кластеру, показывают сходство с расположенными намного западнее группами балтов и западных славян. На наш взгляд, такая картина могла сформироваться в ходе славянской колонизации Восточно-Европейской равнины: двигающееся с запада славянское население несло с собой "восточно-европейский" митохондриальный генофонд, который замещал ранее существовавший на этих территориях автохтонный "приуральский" генофонд.

Вопрос об ассимиляции славянами автохтонного финно-угорского населения, многократно обсуждавшийся в антропологической литературе, также находит отражение в данных по митохондриальной ДНК. Речь идет о северных русских популяциях, которые более сходны не с основной массой русских, украинских и белорусских популяций, а с неславянскими народами севера Восточной Европы (финнами и карелами). Можно предполагать, что славянская колонизация на своих поздних этапах (Русский Север) в наибольшей степени включала в себя ассимиляцию местного населения, и в генофонде северных русских до сих прослеживается дославянский компонент. Это и приводит к тому, что их размещение на графике - промежуточное между восточнославянскими и неславянскими популяциями. Вопрос о том, что представлял этот дославянский субстрат, который впитали северные русские, не находит однозначного ответа. С одной стороны, разумно предполагать финно-угорский компонент, однако специальный подробный анализ, проведенный для одной из северно-русских популяций (популяция с верхней Пинеги, находящаяся на границе с республикой Коми [1]) показал отсутствие ярко выраженного сходства с соседними коми, но при этом дал указания на сходство русских Пинеги с более западными популяциями Фенноскандии, причем говорящими на языках не только финно-угорской, но и германской группы [1].

Что же касается украинских популяций, то три из четырех изученных популяций (за исключением наиболее восточной) располагаются практически в той же области графика, что и западно-славянские и балтоязычные популяции. Это согласуется с ранее установленным по картам генетических расстояний тяготением украинского митохондриального генофонда к популяциям, расположенным севернее (поляки, белорусы, южные русские) [5].

Генетические взаимоотношения русских, украинских и белорусских популяций

Определив место восточнославянских групп в генофонде Европы, перейдем к рассмотрению внутренней структуры восточнославянского генофонда. Для этого построен аналогичный график многомерного шкалирования, но на него выведены только восточнославянские популяции (рис.5).

График наглядно показывает сходство митохондриального генофонда всех восточнославянских популяций друг с другом: все они образуют единый малодифференцированный кластер. Такая генетическая гомогенность восточных славян находит параллели в их антропологическом и лингвистическом сходстве друг с другом. Однако при более пристальном рассмотрении начинает вырисовываться и внутренняя структура генофонда: все-таки существующие различия между популяциями по мтДНК. Так, большинство белорусских популяций (кроме уже обсуждавшейся кажущейся особости белорусов Бобруйска и белорусов Столинского района) образуют скопление в левой части графика. Все три северные русские популяции (Ошевенск, Пинега, поморы), напротив, смещены вправо (особость северных популяций была выявлена нами и ранее на несколько отличающемся наборе исходных данных [3]). Шесть русских популяций образуют единое облако со всеми украинскими популяциями, а также белорусами и кубанскими казаками. Таким образом, именно эта группа оказывается ядром восточнославянского генофонда (к ней относятся 12 из 26 изученных популяций). Остальные шесть русских популяций занимают различное положение на графике, которое в большинстве случаев, видимо, объясняется статистическими случайностями, неизбежными при многомерном шкалировании большого числа популяций (поскольку двумерные геометрические расстояния никогда не могут в точности соответствовать реальным многомерным генетическим расстояниям). Так, парадоксально расположение тамбовских русских (Rpetr) рядом с северными; кажется странным положение Курской и Орловской групп (Rche, Rbol), а также одной из двух рязанских популяций (Rspas) поскольку вторая рязанская популяция вошла в основную восточнославянскую генетическую общность. Лишь особость русских Ростовской области (Rros) и терских казаков (Rter) легко может быть объяснима их периферийным положением на самом юге исторического русского ареала. Любопытно, что группа кубанских казаков (Rkub) неотличима от основного восточнославянского ядра. Аналогичное поведение тех же групп было выявлено нами по маркерам Y хромосомы [9].

Итак, рассмотрение генетических взаимоотношений двадцати шести восточнославянских популяций по маркерам митохондриальной ДНК показывает:

выходящую на первый план гомогенность восточнославянского генофонда;

умеренное своеобразие большинства белорусских популяций, занимающих особое положение в генетическом пространстве (что объясняется, вероятнее всего, наличием балтского компонента в составе их генофонда);

выраженное своеобразие северных русских популяций;

возможное своеобразие терского казачества.

Рисунок 5. График многомерного шкалирования русских, украинских и белорусских популяций.

Сравнение результатов по мтДНК с другими генетическими системами

Сравнение результатов анализа восточнославянских популяций по мтДНК с ранее проведенным нами изучением изменчивости Y хромосомы показывает хорошее совпадение выявляемых картин: по обоим маркерам все восточнославянские популяции оказываются чрезвычайно сходными между собой (малодифференцированный кластер) и с западнославянскими популяциями. При этом по обеим системам прослеживается своеобразие северных русских популяций [9].

Различия в результатах, полученных по мтДНК и Y хромосоме, невелики и связаны главным образом с тем, что мтДНК в целом более гомогенна в Европе и поэтому в меньшей степени, чем Y хромосома, позволяет выявлять различия между генофондами. Например, по мтДНК южные славяне в целом присоединяются к остальной славянской общности, хотя в генетическом пространстве и располагаются на ее окраине. Однако по Y хромосоме южные славяне четко отделены от сходных между собою западных и восточных славян. Данные по маркерам третьего типа (панели 500 000 аутосомных ДНК маркеров [13]) также показывают отличия южных славян и большое сходство восточных и западных славян. Таким образом, незначительное расхождение в результатах между мтДНК и Y хромосомой вызвано лишь большей гомогенностью распределения гаплогрупп мтДНК.

Сравнение с результатами проведенного нами анализа пяти аутосомных маркеров (ACE, APOA1, B65, PV92, TPA25) показывает сходство и с этой системой признаков [6, 7]. По аутосомным маркерам также вырисовывается единый гомогенный кластер восточных славян, несколько удаленный от коренного населения Кавказа, но значительно отличающийся от народов Волго-Уральского региона (Соловьева и др, в печати).

Выводы