Анализ изменчивости митохондриальных ДНК юкагиров - коренных жителей полярной Сибири тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.15, кандидат биологических наук Володько, Наталья Викторовна

• Володько, Наталья Викторовна
• кандидат биологических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Володько, Наталья Викторовна

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Митохондрии и митохондриальная ДНК.

1.1.1. Структура и функции митохондрий.

1.1.2. Современные сведения о митохондриалыюм геноме человека.

1.1.2.1. Организация митохондриального генома человека.

1.1.2.2. Особенности митохондриального генома, обуславливающие его широкое применение в популяционной генетике.

1.2. Разнообразие последовательностей мтДНК в популяциях человека.

1.2.1. Номенклатура митохондриальных гаплогрупп.

1.2.2. Происхождение человека современного вида в Африке и заселение земного шара.

1.2.1.1. Заселение человеком Северной Евразии по результатам анализа мтДНК.

1.3. Юкагиры.

1.4. Роль естественного отбора в эволюции мтДНК.

Глава 2. Материалы и методы.

2.1. Величина и состав выборки.

2.2. Методы.

2.2.1. Молекулярно-генетический анализ.

2.2.1.1. Выделение и очистка ДНК.

2.2.1.2. Гаплотипирование образцов.

2.2.1.3. Полное секвенирование мтДНК.

2.2.2. Статистический анализ.

2.2.2.1. Генетическое разнообразие.

2.2.2.2. Статистические тесты нейтральности.

2.2.3. Филогенетический анализ.

2.2.3.1. Оценка времени коалесценции.

2.2.4. Оценка влияния естественного отбора на мтДНК - анализ полных последовательностей.

Глава 3. Результаты и обсуждение.

3.1. Распределение гаплотипов мтДНК в изученных популяциях.

3.2. Характеристики генетического разнообразия.

3.2.1. Статистические тесты нейтральности и популяционной динамики.

3.3. Генетическая структура популяций юкагиров и нганасан.

3.4. Генетические взаимоотношения юкагиров с популяциями других коренных жителей Сибири.

3.5. Происхождение юкагиров и заселение Сибирской Арктики по результатам анализа полных митохондриальных геномов.

3.5.1. Гаплогруппа С: внутрилинейное разнообразие и эволюционная история.

3.5.2. Гаплогруппа Э: внутрилинейное разнообразие и эволюционная история.

3.5.3. Оценка действия естественного отбора на гены мтДНК.

3.6. Мутации мтДНК и митохондриальные заболевания человека.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ изменчивости митохондриальных ДНК юкагиров - коренных жителей полярной Сибири»

Актуальность. Обнаружение следов обитания популяций человека современного вида 30 тыс. лет назад на р.Яне (71°С.Ш.), свидетельствует о заселении областей с суровыми условиям окружающей среды уже в палеолите (Pitulko et al., 2004). Все остальные найденные палеолитические стоянки человека находятся к югу от Северного полярного круга (Goebel, 1999). Это говорит о том, что первое население Северо-Восточной Сибири либо исчезло, не оставив генетических следов, либо на время ледникового периода отступило на юг. Постоянное же население Заполярья сформировалось 9 тыс. лет назад (Хлобыстин, 1998), когда речные долины Лены, Индигирки, Колымы и Анадыря были освоены полуоседлыми племенами охотников и рыболовов. С течением времени они подвергались значительной ассимиляции популяциями, которые формировались в климатически более благоприятных районах Южной Сибири. К приходу первых русских в Сибирь в XVI в. лишь некоторые популяции охотничье-собирательского типа сохранились в виде антропологических изоля гов, которые в настоящее время находятся в стадии полного поглощения своими более многочисленными соседями (Долгих, I960; Симченко, 1976; Rogers, 1986; Богоявленский, 2005). В связи с этим остатки их уникальных генофондов представляют собой бесценный источник генетической информации, важный не только для анализа молекулярной эволюции популяций Северной Евразии, но и для реконструкции эволюционной истории человека.

Митохондриальная ДНК (мтДНК) вследствие материнского характера наследования, отсутствия рекомбинаций и высокой, по сравнению с ядерной ДНК, скоростью мутирования является идеальным инструментом для исследования генетической истории популяций. Начиная с 90-х годов, проведены популяционно-генетические исследования, позволившие выявить и классифицировать типы мтДНК, характерные для отдельных рас и популяций, а также проследить основные пути расселения человека по планете. Между тем, эволюционная и генетическая история некоторых народов Сибири остаются не изученными.

Не составляют исключения и потомки древнейшего населения Восточной Сибири - юкагиры. Изучение митохондриальной ДНК юкагиров практически не проводилось - известно только две работы, в которых анализ мтДНК проводился лишь на уровне ПДРФ-анализа и секвенирования контрольного района. Так, в работе Тоггош и соавторов изучена выборка из 27 юкагиров (Тоггош е1 а1., 1993Ь), а Ракепс1огГ и соавторы (2006) исследовали выборку из 32 юкагиров. Однако вследствие малых выборок и ограниченного разрешения методов анализа, применяемых в данных работах, ни о происхождении юкагиров, ни о их взаимодействиях с соседними популяциями не представляется возможным делать определенных выводов.

В данном исследовании проведен анализ митохондриального генофонда юкагиров не только максимально возможной выборки (149 человек), но и с максимально возможным разрешением. Полные последовательности мтДНК, полученные в данной работе, позволяют точнее датировать ключевые события в эволюционной истории народа и более полно исследовать генетические взаимоотношения с соседними популяциями. Кроме того, мы пытались оценить влияние естественного отбора на сложившееся разнообразие мтДНК юкагиров.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы являлось выяснение состава и происхождения митохондриальных филетических линий в популяции юкагиров, а также причин, которые повлияли на формирование разнообразия мтДНК в этой популяции. Для этого предстояло изучить митохондриальный генофонд юкагиров; сравнить полученные данные с уже имеющимися для популяций коренных жителей Сибири; выполнить статистический и филогенетический анализ.

Научная новизна и практическая ценность. Впервые получены данные по разнообразию мтДНК популяции юкагиров на уровне полных мтДНК-геномов, а также предпринята попытка исследовать причины, по которым оно сформировалось. Статистический и филогенетический анализ данных позволил выяснить генетическую историю происхождения юкагиров и внести существенный вклад в задачу реконструкции эволюционной истории восточной Сибири и заселения Нового Света.

Полученные сведения имеют междисциплинарное значение и могут быть использованы как для развития и планирования дальнейших задач популяционной генетики человека, так и в антропологии, истории, медицинской генетике и судебно-медицинской практике.

Положения, выносимые на защиту.

Митохондриальный геном юкагиров содержит уникальные гаплотипы, которые помогают дискриминировать основные эволюционные события, лежащие в основе первоначального и последующего заселения Сибири, и открывают новые горизонты для изучения роли микроэволюционных процессов (генный дрейф, отбор и миграции) в эволюции популяций человека.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на У1-Й международной конференции «Древние ДНК и биомолекулы» (Тель-Авив, Израиль, 2002), на ежегодном съезде Американского общества генетики человека (Новый Орлеан, Луизиана, США, 2006), на конференции молодых ученых СО РАН, посвященной М.А. Лаврентьеву (Новосибирск, Россия, 2007), на XX международном конгрессе по генетике «Генетика - понимание живых систем» (Берлин, Германия, 2008), на ежегодном съезде Американского общества генетики человека (Филадельфия, Пенсильвания, США, 2008).

Вклад автора. Автор принимал участие в экспедиционных сборах в пос. Марково, Анадырского района Чукотского Автономного Округа и с. Сеймчан, Средне-Канского района Магаданской области; выполнял молекулярно-генетический анализ мтДНК; статистический и филогенетический анализ полученных данных.

Публикации. По результатам и проблематике настоящего исследования опубликованы следующие работы:

1. Volodko N.V., Starikovskaya Е.В., Mazunin I.O., Eltsov N.P., Naidenko P.V., Wallace D.C., Sukernik R.I. (2008) Mitochondrial Genome Diversity in Arctic Siberians, with Particular Reference to the Evolutionary History of Beringia and Pleistocenic Peopling of the Americas. Am. J. Hum. Genet. V. 82. P. 1084-1100.

2. Володько HB, Львова MA, Стариковская ЕБ, Дербенёва OA, Бычков ИЮ, Михайловская ИЕ, Погожева ИВ, Федотов ФФ, Соян ГВ, Прокачио В, Уоллес ДС, Сукерник РИ. (2006) Спектр патогенных мутаций мтДНК в семьях больных наследственной нейропатией зрительного нерва Лебера в Сибири. Генетика. Т. 42. С. 78-87.

3. Starikovskaya ЕВ, Sukernik RI, Derbeneva OA, Volodko NV, Ruiz-Pesini E, Torroni A, Brown MD, Lott MT, Hosseini SH, Huoponen K, Wallace DC. (2005) Mitochondrial DNA diversity in indigenous populations of the southern extent of Siberia, and the origins of Native American haplogroups. Ann Hum Genet. V. 69. P. 67-89.

4. Uinuk-ool TS, Takezaki N, Derbeneva OA, Volodko NV, and RI Sukernik (2004) Variation of HLA class II genes in the Nganasan and Ket, two aboriginal Siberian populations. Eur J Immunogenet. V. 31. P. 43-51

5. Володько HB, Дербенева OA, Уйнук-оол ТС, Сукерник РИ. (2003) Генетическая история алеутов командорских островов по результатам анализа изменчивости HLA-генов II класса. Генетика. Т. 39. С. 1710-1718.

6. Derbeneva OA, Sukernik RI, Volodko NV, Hosseini SH, Lott MT, Wallace DC (2002) Analysis of mtDNA diversity in the Aleut of the Commanders and its implication for the genetic history of Beringia. Am. J. Hum. Genet. V. 71. P. 415-421.

7. Дербенева OA, Стариковская ЕБ, Володько HB, Уоллес ДС, Сукерник РИ. (2002) Изменчивость митохондриальных ДНК у кетов и нганасан в связи с первоначальным заселением Северной Евразии. Генетика. Т. 38. С. 1554-1560.

8. Сукерник РИ, Дербенева OA, Стариковская ЕБ, Володько НВ, Михайловская ИЕ, Бычков ИЮ, Лотт МТ, Браун МД, Уоллес ДС. (2002) Митохондриальный геном и митохондриальные болезни человека. Генетика. Т. 38. С. 161-170.

9. N.V. Volodko, N.P. Eltsov, P.V. Naidcnko, E.B. Starikovskaya, R.I. Sukernik. Selection Left Distinctive Signatures At The Human Mitochondrial Genome Level in Siberia/Beringia. The XX International Congress of Genetics. Berlin, Germany, July 12- 17, 2008.

10. Volodko NV, Sukernik RI, Starikovskaya EB, Lvova MA, Wallace DC, Mitochondrial DNA Lineages in the Yukaghir, Chukchi and Siberian Eskimos, and Resettlement of Arctic Siberia after the Last Glacial Maximum (LGM) [abstract 1050]. Presented at the annual meeting of The American Society of Human Genetics, October 9-13, 2006, New Orlean, Louisiana. Available from http://www.ashg.org/cgi-bin/ashg06s/ashg06.

Благодарности. Я глубоко благодарна своему научному руководителю Рему Израилевичу Сукернику за организацию исследований на всех этапах выполнения настоящего научного проекта. Я выражаю искреннюю признательность к.б.н. Елене Борисовне Стариковской, принимавшей участие в экспедиционных сборах, делившейся богатым экспериментальным опытом и научными идеями. Я искренне признательна Дугласу Уоллесу за уникальную возможность выполнить часть работы в его лаборатории, сначала в г. Атланте (2001 г.), затем в г. Ирвайне (2004 г.).

Хотелось бы сказать огромное спасибо бывшим и нынешним сотрудникам лаборатории молекулярной генетики человека, в которой выполнялась большая часть данного исследования, Дербеневой Ольге и Львовой Марии - за помощь при проведении молекулярно-генетического анализа; Анохиной Любовь Яковлевне и Ильиной Светлане Петровне - за поддержку и создание особенной атмосферы в лаборатории. Мне также приятно отметить постоянную помощь со стороны бывших и нынешних молодых сотрудников лаборатории - аспиранта Ильи О. Мазунина и студентки Полины В. Найденко.

Хочется выразить благодарность рецензентам д.б.н. Игорю Федоровичу Жимулеву и к.б.н. Владимиру Николаевичу Бабенко за сделанные ими ценные замечания к работе, а так же д.и.н. Андрею Владимировичу Табареву (Институт археологии и этнографии СО РАН) за консультации в вопросах археологии.

Я с чувством безграничной благодарности выделяю заслуги своего супруга Николая - данная работа была бы невозможна в таком виде без его участия, понимания и поддержки. Также я от всей души благодарна моим друзьям — Брыксину Антону, Горчакову Андрею и Дырхеевой Надежде за конструктивные замечания и важные советы. Я искренне признательна моим родителям за понимание и поддержку, оказываемые ими в течение всего периода выполнения данной работы.

Также хочется поблагодарить юкагиров - непосредственных участников этого исследования. Я искренне надеюсь, что это исследование способствовало выяснению ключевых аспектов их загадочного происхождения.

Заключение диссертации по теме «Генетика», Володько, Наталья Викторовна

Заключение

В настоящей работе выполнен анализ изменчивости митохондриальных ДНК в четырех субпопуляциях юкагиров, потомков древнейшего населения СевероВосточной Сибири. Проведена оценка генетической дифференциации субпопуляций юкагиров и установлено наличие подразделенности как между группами юкагиров и нганасан, так и между субпопуляциями внутри групп. На основе полученных данных определено положение генофонда юкагиров в системе генофонда популяций коренных жителей Сибири. Определены полные последовательности 39 индивидуальных митохондриальных геномов юкагиров, представляющие все разнообразие, выявленное при высокоразрешающем SNP-анализе. Полученные данные депонированы в базу данных GenBank. Филогеографический анализ мтДНК гаплогрупп С и D позволил выяснить истинное разнообразие мтДНК и уточнить филогенетические взаимоотношения митохондриальных гаплогрупп на территории Сибири. В дальнейшем они могут быть использованы для разработки более совершенных схем типирования, позволяющих более точно оценивать разнообразие мтДНК в популяциях коренных жителей Сибири.

Проведена оценка действия естественного отбора на митохондриальные ДНК гаплогрупп С и D. Результаты анализа свидетельствуют в пользу гипотезы о действии естественного отбора на мтДНК. Однако, согласно полученным данным, сила и направленность его действия и на разные гены и гаплогруппы различается.

Анализ полных последовательностей и определение возраста гаплогрупп С и D юкагиров и других популяций коренных жителей Сибири позволил выделить события первичной и вторичной колонизации Сибирской Арктики. По всей видимости, разнообразие мтДНК юкагиров отражает древнее распределение линиджей С и D, ассоциированных с позднепалеолитической селемджинской культурой рыболовов и охотников-собирателей, возникшей в среднем течении Амура примерно 25 тыс. лет назад (Деревянко и др., 1998). А гаплогруппа С2а, по-видимому, возникла в популяции праюкагиров в голоцене, и ее носители преобладали в процессе реколонизации Сибирской Арктики после окончания ледникового периода.