1.     Основное направление фундаментальных и фундаментально-ориентированных исследований

Комплексное изучение разнообразия генофондов коренных этносов Сибири в эволюционном, популяционном и биомедицинском аспектах.

Задачи, решаемые в рамках основного направления на данном этапе:

• Популяционно-генетические исследования коренных этносов Сибири и изучение их генетико-демографической изменчивости в условиях социальных и техногенных трансформаций; оценка роли факторов микроэволюции в поддержании популяционной структуры; создание геногеографических карт; экология и генетика.
• Молекулярно-генетические исследования митохондриальной ДНК, Y-хромосомы, аутосомальных локусов для уточнения этапов этногенеза и этнической истории коренных жителей Сибири и их участия в заселении Евразии и Америки.
• Биомедицинские исследования генов ферментов биотрансформации ксенобиотиков, участвующих в канцерогенезе (GSTs, CYP), генов систем свёртывания крови (VCORC1, FV, FII), молекулярных вариантов гепатитов В и С и других биологически важных систем организма в популяциях коренных этносов как модельных объектах для комплексных исследований, в том числе в адаптации к Северу.
• Выполнение экспедиционных работ для пополнения и поддержания Банка образцов крови и ДНК, а также для совместных прикладных исследований в области физиологии и медицины.

2.     Аннотация базового бюджетного проекта подразделения

Проект: VI.58.1.1. Особенности формирования молекулярно-генетических механизмов метаболических нарушений и наследственных заболеваний у жителей Северной Азии и разработка новых подходов к их коррекции (№ гос. Регистрации 01201280318). Руководитель – член-корреспондент РАМН, д.м.н. Воевода М.И.

Лаборатория популяционной этногенетики (т.56) отвечает за Блок №3 бюджетного проекта «Оценка состояния генофонда бурят Усть-Ордынского Бурятского округа Иркутской области».

3.     Прикладные разработки

Прикладных разработок нет.

4.     Иллюстрированное описание лучших результатов, полученных подразделением за последние 5 лет

Впервые было показано, что у народов Западной Берингии (северо-востока России) и во всех исследованных популяциях коренных жителей Америки присутствует уникальный аллель микросателлитного локуса D9S1120 (с 9-ю повторами), который не был найден в других мировых популяциях (Рис. 1).

Это позволило предположить, что все коренные жители Америки произошли от одной предковой сибирской популяции. Такое заключение подразумевает, что все обнаруженные копии 9-повторного аллеля имеют общее происхождение и что на распространение этого аллеля не влиял естественный отбор. Чтобы проверить эти предположения, были исследованы 34 однонуклеотидных полиморфных сайта (SNP) на расстоянии порядка 500 т.п.н. вокруг D9S1120 в 21 популяциях коренных жителей Америки и Западной Берингии, а также в 54 других популяциях со всего мира. Все хромосомы с 9-повторным аллелем имеют очень похожие гаплотипы в окрестностях D9S1120, из чего следует, что все они происходят из одного источника. Девяносто один процент таких хромосом несут один и тот же гаплотип длиной 76.26 т.п.н., который был назван нами «Американский Гаплотип» (АГ).

Три наблюдения позволяют заключить, что повсеместное распространение и высокая частота 9-повторного аллеля, наблюдаемые в популяциях Америки, не являются результатом положительного отбора. Во-первых, сам по себе АГ не встречается в Америке с высокой частотой. Во-вторых, АГ не отличается по частоте от других гаплотипов такой длины. В-третьих, в метисных популяциях Латинской Америки локус D9S1120 не отличается от других микросателлитных участков по доле аллелей, унаследованных от индейских предков. С помощью нового метода определения времени до последнего общего предка всех копий аллеля, основанного на оценке числа прошедших поколений, было вычислено время до последнего общего предка для 9-повторного аллеля, которое составило от 7 325 до 39 900 лет, в зависимости от используемой демографической модели.

Полученные результаты подтверждают гипотезу, что все коренные жители Америки и Западной Берингии унаследовали большую часть генов от единственной предковой популяции, которая была изолирована от других популяций Азии перед переселением на Американский континент. (Mol Biol Evol 2009. 26(5):995-1016)

Рисунок 1. Распределение частоты аллеля 9RA D9S1120 в популяциях Сибири, Азии и Америки

В данной работе впервые изучен геном мужчины, жившего около 4 000 лет назад в Гренландии и принадлежавшего к самой древней из найденных там археологических культур (Саккак). ДНК была выделена из образцов волос, сохранившихся в вечной мерзлоте. Было определено 79% последовательности генома со средним покрытием 20х, что близко к пределу возможностей современных технологий секвенирования. С высокой точностью были определены 353 151 однонуклеотидных полиморфных сайта (SNP), 6.8% из которых до этого не были опубликованы. Оцененная контаминация ДНК составила не более 0.8%. Анализ функционально значимых замен позволил составить фенотипический портрет человека, о котором получено мало информации из археологического материала (человек Саккак имел тёмный цвет волос и смуглый цвет кожи, группу крови А (II), положительный резус-фактор и был адаптирован к холодному климату). Сравнение SNP генома древнего человека и представителей современных этносов выявило популяции, которые наиболее близки к исследуемому образцу – ими оказались чукчи и коряки (Рис. 2). Полученные данные подтверждают гипотезу о дополнительной волне миграции из Сибири в Новый Свет около 5 500 лет назад, независимо от тех волн, которые дали начало популяциям индейцев и инуитов (Опубликовано: Nature 2010. 463(7282):757-62).

У представителей самодийских этносов (селькупов, лесных ненцев, нганасан) впервые проведено исследование полиморфизма генов системы биотрансформации ксенобиотиков CYP2D6 (аллели CYP2D6*3, CYP2D6*4), с («нулевые» генотипы GSTМ1 0/0 и GSTT1 0/0), рассматриваемых в качестве генетических маркёров риска онкологических заболеваний. Исследование выявило существенную вариабельность частот распределения CYP2D6*4 и GSTМ1 0/0 в северных популяциях. В то же время, частоты остальных вариантов (CYP2D6*3 и GSTT1 0/0) достоверно не отличаются между собой в коренных популяциях селькупов, лесных ненцев и нганасан. По частотам аллеля CYP2D6*4 коренные этносы занимают промежуточное положение между русскими Сибири и монголоидами Китая. Однако суммарная представленность нулевых генотипов GSTМ1 0/0 и GSTT1 0/0 у коренных этносов достоверно ниже, чем в популяциях русских Сибири и монголоидов Китая (р<0.05). На основании частот полиморфных вариантов этих генов выдвинуто предположение о пониженном риске онкологических заболеваний у коренных самодийских этносов по сравнению с русскими Сибири. Исключение составляет популяция лесных ненцев, у которых зарегистрирована повышенная частота генотипов GSTМ1 0/0, что может быть обусловлено своеобразием брачной структуры и повышенным коэффициентом инбридинга, характерным для лесных ненцев. Полученные результаты могут также иметь важное значение при прогнозировании вероятности осложнений при использовании лекарственных препаратов, которые метаболизируются ферментами GSTM1, GSTT1 и CYP2D6. (Опубликовано: Вавиловский журнал генетики и селекции 2011. Т. 15. № 3. С. 585-598).

Для того чтобы прояснить популяционную историю казахского этноса по отцовской линии, впервые был проведён анализ нерекомбинирующего участка Y-хромосомы в популяциях казахов, проживающих в южном Алтае, по 60 биаллельным маркёрам и 17 STR (коротким тандемным повторам). Были обнаружены сильные различия в материнской и отцовской наследственности казахов. Притом что в их популяциях обнаруживается большое разнообразие восточно- и западно-евразийских гаплогрупп митохондриальной ДНК (мтДНК), только три Y-гаплогруппы присутствуют со значимой частотой (C3*, C3c и O3a3c*). По данным анализа Y-STR, внутри этих трёх гаплогрупп число генетических вариантов не велико. Близкое родство всех казахов по отцовской линии выделяет их среди других народов Центральной Азии. Комбинированный анализ данных по биаллельным маркёрам и Y-STR выявил различия между популяциями казахов из разных областей Центральной Азии (Рис 4). Различия между казахами Казахстана и Алтая не были вызваны смешением последних с другими народами Алтая. Также исследованные популяции казахов несут следы генетического смешения времён Монгольской Империи 13-го века. В целом можно сказать, что генетический профиль современных казахов обусловлен их историческими социально-культурными традициями и действием факторов микроэволюции. (Опубликовано: PLoS One 2011. 6(3):e17548).

Впервые на представительной выборке был проанализирован полиморфизм митохондриальной ДНК (мтДНК) и Y-хромосомы у представителей северных и южных алтайских популяций с целью выявления генетических взаимосвязей между народами Алтая и другими этносами. МтДНК исследовалась с помощью анализа ПДРФ и секвенирования контрольной области. Нерекомбинирующие участки Y-хромосомы были прогенотипированы с использованием более 100 биаллельных маркёров и 17 Y-STR (коротких тандемных повторов). Анализ полученных данных выявил различия в происхождении и популяционной истории народов Алтая: северные алтайские этносы оказались близки к северным народам, говорящим на енисейских, угорских и самоедских языках, тогда как южные алтайцы приближены к другим тюркоговорящим народам южной Сибири и Центральной Азии. Кроме того, подробный анализ Y-гаплогруппы Q привёл к пересмотру филогении этой ветви, что более наглядно демонстрирует родство популяций Старого и Нового Света и доказывает наличие общего предка у южных алтайцев и американских индейцев. Эти результаты существенно углубляют наше понимание истории заселения Сибири и Америки. (Опубликовано: Am J Hum Genet 2012. 90(3):573).

Заселение Америки является предметом обширных генетических, археологических и лингвистических исследований. Однако главные вопросы в этой области остаются до конца не разрешёнными. Один из таких спорных вопросов состоит в том, произошло ли переселение людей из Сибири в Америку за одну волну миграции, или таких волн было несколько. Не совсем ясны и пути расселения людей внутри Американского континента. Чтобы ответить на эти вопросы на уровне современных методов, были проанализированы данные, полученные при генотипировании 52 американских и 17 сибирских популяций по 364 470 однонуклеотидным полиморфным сайтам (SNP). Показано, что коренное население Америки сформировалось на основе по крайней мере трёх потоков генов из Азии. Большая часть населения Америки происходит от одной предковой популяции, которую можно условно назвать «Первые американцы». Однако народы Арктики, говорящие на эскимосско-алеутских языках, унаследовали почти половину генов от более поздних переселенцев из Азии (вторая волна миграции), а у представителей народа чипевьян в Канаде, говорящих на языках на-дене, приблизительно одна десятая часть генов появилась в результате третьей волны миграции. Также показано, что первичное заселение Америки происходило в южном направлении вдоль побережья. Последовавшее за этим разделение популяций сохранялось довольно долго, особенно в Южной Америке. Исключением являются народы, живущие по обе стороны Панамского перешейка и говорящие на чибчанских языках, генофонд которых объединяет компоненты из Северной и Южной Америки. (Опубликовано: Nature 2012. 488(7411):370-4).

Рисунок 5. Генное дерево, представляющее схему переноса генетической информации из Азии в Америку. Пунктирные линии обозначают вторичное смешение ранее разделённых популяций (указаны соответствующие генетические пропорции). Сплошными кругами представлены гипотетические предковые популяции. Синим цветом обозначена первая волна миграции, давшая начало большинству народов Америки, красным – предки алеутов и эскимосов (инуитов), зелёным – предки чипевьян. Также показана обратная миграция эскимосско-алеутских племён через Берингов пролив, приведшая к появлению генов первых американцев у народов северо-восточной Азии (чукчей, науканов).

Были изучены 701 линия митохондриальной ДНК (мтДНК) и 318 Y-хромосом пяти коренных этносов республики Саха (якуты, эвенки, эвены, юкагиры и долганы). Также был проведён анализ более 500 000 аутосомальных однонуклеотидных полиморфных сайтов (SNP) у 758 человек, представляющих 55 этносов, включая 40 ранее не исследованных образцов из Сибири. Концевые ветви восточноазиатских митохондриальных гаплогрупп C и D, а также Y-гаплогруппы N1c, N1b и C3, которые составляют основу генофонда народов республики Саха, соединяют Якутию с южной Сибирью. Анализ данных по аутосомальным SNP подтверждает генетическую связь между народами Саха и южной Сибири. Материнские линии D5a2a2, C4a1c, C4a2, C5b1b и ветвь Y-гаплогруппы N1c с присущим только якутам набором коротких тандемных повторов (STR) могли возникнуть в результате миграции предков современных якутов, тогда как отцовская линия C3c, скорее всего, появилась у населения Саха в результате экспансии тунгусских народов. Гаплогруппы мтДНК Z1a1b и Z1a3, присутствующие у юкагиров, эвенов и долган, указывают на другие, возможно, более древние миграционные события. Анализ как гаплоидных локусов (мтДНК и Y-хромосомы), так и аутосомальных SNP показал, что у народов Саха и у народов северо-восточной Сибири мало общих генетических компонент. Большая часть западно-евразийских материнских и отцовских гаплогрупп у народов Саха, по-видимому, происходит от недавней метисации с восточными европейцами, однако гаплогруппы мтДНК H8, H20a и HV1a1a, а также Y-гаплогруппа J, вероятно, являются следами древнего переноса генов из западной Евразии через Центральную Азию и южную Сибирь. (Опубликовано: BMC Evol Biol 2013. 13:127).

5.     Задачи, планируемые на перспективу

а) Комплексное исследование популяций тундровых ненцев арктического Севера с целью выявления их демографического потенциала в условиях социальных и техногенных преобразований; оценки роли факторов микроэволюции в поддержании популяционной структуры; сбор образцов фракций крови для дальнейших исследований.

б) Изучение процессов адаптации человека к условиям Крайнего Севера на молекулярно-генетическом, биохимическом и физико-химическом уровнях (изучение уровня гормонов и липидов, а также структуры гемоглобина и свойств эритроцитарных мембран с учетом типа питания ненцев выполняется совместно с ФГБУ «НИИ биохимии» СО РАМН)

в) Молекулярно-генетические исследования Y-хромосомы, митохондриальной ДНК, а также аутосомальных локусов в популяциях коренных этносов с помощью современных методов экзомного секвенирования и полногеномного сканирования для уточнения эволюционных этапов заселения Евразии и Америки, а также выявления локусов, ответственных за процессы адаптации к экстремальному климату (совместно с зарубежными учёными).

г) Исследования генов ферментов биотрансформации ксенобиотиков, участвующих в канцерогенезе - глютатион-S-трансферраз (GSTs), цитохромов (CYP), а также генов систем свёртывания крови (VCORC1, FV, FII), у коренных жителей Сибири в сравнении с европейцами в контексте выявления адаптивных паттернов в зависимости от типа питания и региона проживания (совместно с ФГБУ «Институт химической биологии и фундаментальной медицины»).

д) Изучение разнообразия молекулярных вариантов гепатита В в популяциях Сибири и Алтая в прикладном аспекте для разработки оригинальных отечественных тест-систем для диагностики (совместно с ЗАО «Вектор-Бест»)