Еволюційні дослідження мітохондріального геному

Ендосимбіотичне походження, локалізація в цитоплазмі і висока кількість копій МТХ визначають унікальність мітохондріального геному. Характеристики мітохондріального геному виглядають таким чином.

1. Встановлений материнський характер успадкування мтДНК. Вона передається від матері всім її нащадкам і від її дочок усім її поколінням. Сини не передають свою мтДНК, тому що частка батьківських мтДНК мала і може передаватися не більш однієї молекули мтДНК на 25 тис. материнських мтДНК. Ці молекули не можуть бути виявлені існуючими методами.

2. Відсутня комбінативна мінливість - мтДНК належить тільки одному з батьків, отже, рекомбінаційні події відсутні, а нуклеотидна послідовність змінюється з покоління в покоління тільки за рахунок послідовного накопичення мутацій.

3. МтДНК не має інтронів, від цього велика ймовірність того, що випадкова мутація вразить район ДНК, що кодує. Відсутня ефективна ДНК-репараційна система, що призводить до збільшення частоти мутацій мтДНК у порівнянні з ядерною. Саме тому, мтДНК займає особливе місце серед високополіморфних інформативних генетичних систем.

4. Усередині однієї клітини можуть співіснувати одночасно нормальні і мутантні мтДНК - це явище має назву гетероплазмії. Якщо мутація виникає в одній з молекул мтДНК, то утворюється внутрішньоклітинна суміш мутантних і нормальних молекул. При розподілі гетероплазмічних клітин відбувається випадковий розподіл між дочірніми клітинами мтДНК. Внаслідок ряду клітинних розподілів співвідношення мутантних і нормальних мтДНК може змінюватися або убік мутантної, або убік нормальної мтДНК (гомоплазмія). Цей процес має назву реплікативної сегрегації, що відбувається під час реплікації соматичних клітин або під час проліферації жіночих статевих клітин, що призводить до зміни пропорцій мутантної мтДНК. Гетероплазмія – єдиний механізм формування розмаїття мітохондріальних геномів. Молекулярні основи підтримки стану гетероплазмії залишаються нез'ясованими. Гетероплазмічна мутація С→Т в позиції 16169 п.н. контрольного регіону мтДНК була виявлена у членів царської родини Миколи II Романова і його брата Георгія.

Перераховані вище властивості зробили мтДНК неоціненним інструментом для генетичної археології.

Один із сучасних генетичних підходів до вивчення етногенезу заснований на молекулярно-генетичному аналізі мтДНК.

Дослідження мінливості мтДНК, що ведуться протягом останніх двох десятиріч, істотно доповнили уявлення про еволюцію людини, походження і диференціацію різних етнічних груп, молекулярні основи деяких спадкових захворювань і процесів старіння, а також відіграють ведучу роль в еволюційній генетиці людини.

Вважається, що циклічні зміни клімату, які відбувалися з інтервалом у десятки тисяч років, зіграли істотну роль в еволюції і поширенні усіх видів, у тому числі і людини. У періоди похолодання повільно зростала маса континентальних льодовиків, природнокліматичні зони зрушувалися на південь, знижувався рівень моря і підсилювалася аридізація тропічних зон. За цим йшло відносно швидке танення льодів, підвищення рівня моря і теплий міжльодовиковий період. Ці циклічні зміни призвели до зміни ареалів розташування і чисельності фауни всієї земної кулі. У періоди потеплення відбувалося підвищення чисельності і розмаїття живих форм, розселення на придатні для життя території – з Африки в Азію і Європу через Суецький перешийок і в Європі на території, що звільнилися з під льодовика.

Уперше, докази про етнічну диференціацію, тобто кореляцію мінливості мтДНК із расовою приналежністю і етногеографічним походженням індивідуумів були отримані в результаті вивчення поліморфізму мтДНК у населення Африки, Азії, Європи й Америки.

За допомогою порівняльного філогенетичного аналізу R.Cann et al. (1987) вдалося встановити послідовність і час виникнення окремих мутацій і звести всі типи мтДНК сучасних людей до єдиного гіпотетичного пращура і, таким чином, підтвердити уявлення про походження типів мтДНК в Африці приблизно 150-200 тис. років тому, оскільки найбільше їхнє розмаїття і найбільша дивергенція мали місце саме в африканських популяціях.Ця гіпотеза одержала назву «генетичної або африканський Єви». В міру міграцій жінок з Африки в процесі колонізації нових земель у мітохондріальних лініях виникали мутації, які фіксувалися та одержували поширення у визначених популяціях, що призвело до континентальної специфічності.

Поєднання найбільш інформативних методів аналізу поліморфізму мтДНК, таких як аналіз нуклеотидної послідовності контрольного регіону мтДНК (секвенування) у сполученні з аналізом поліморфізму довжин рестрікційних фрагментів (ПДРФ-аналіз) регіону, що некодується, дозволило одержати більш детальну інформацію про варіації мтДНК у різних етнорасових групах людини і, надалі, стати стандартною основою для класифікації визначених індивідуальних гаплотипів мтДНК у гаплогрупи та філогенетичних побудов. Вивчення мінливості мтДНК у межах окремих гаплогруп призвело до визначення їхнього зразкового віку, ймовірного місця їхнього походження і маршрутів поширення в міру розселення людини.

Для дослідження генетичної структури популяції було розроблено декілька підходів, які засновані на дослідженні частот генів популяцій, що вивчались. Якщо частоти генів двох популяцій однакові, то їхня генетична відстань дорівнює нулю. І напроти, якщо вони різняться, то генетична відстань між ними велика. При цьому, якщо дві популяції по генетичній відстані знаходяться близько одна від одної, то велика ймовірність того, що в цих популяціях була загальна пращурна популяція. М. Nеі зі співавторами показав на підставі генетичних відстаней по багатьох генетичних локусах між трьома найбільшими людськими расами, що відділення негроїдів відбулося близько 110 тис. років тому, а розподіл монголоїдів і європеоїдів – близько 40-50 тис. років тому. Була висунута концепція, відповідно до якої європеоїди, північні монголоїди та америнди (пращури індіанців) походять від однієї предкової популяції, що жила в Азії в палеоліті.

Встановлено, що більшість гаплогруп - континент-специфічна. 70% із 100% проаналізованих мітохондріальних ліній негроїдного населення суб-Сахари належать групі L, що характеризується ключовою мутацією в позиції 3592 п.н. мтДНК (рис. 4). В Азії – 55% проаналізованих мітохондріальних ліній Східної Азії і Сибіру представлені гаплогрупою М, що характеризується мутацією в поз.10394 і 10397 п.н. Вона підрозділяється на субгаплогрупи С, D, G, E. Вони, у свою чергу, об'єднують близько 50% ліній мтДНК народів Азії. Значна частина мтДНК Азії представлена гаплогрупами А, В, F. Дуже рідко, з частотою менш 2%, гаплогрупу М та її деривати можна знайти у європейських популяціях. У цілому, між європейськими та азіатськими популяціями не спостерігається інтенсивного змішування гаплогруп і на частку гаплогруп, що перекриваються, приходиться не більш 5%. Виключення представляють контактні зони Центральної Азії, де зустрічаються і європеоїдні, і азіатські гаплогрупи мтДНК.

У проаналізованих мтДНК лініях корінного населення Америки зустрічаються тільки чотири гаплогрупи А, В, С, D – свідчення азіатського компоненту. Ці дані, можливо, підтверджують гіпотезу про походження населення Америки на генетичній основі народів Сибіру. Виявлена гаплогрупа Х свідчить про наявність європеоїдного компоненту.

Richards із співавторами (Richards et al., 1998) провели філогенетичне дослідження послідовності HVS I контрольного регіону мтДНК і виявили п'ять основних гаплогруп серед європейців, що відрізняються мутаціями (транзиціями) у визначених позиціях нуклеотидних основ: Н, J, T, I, U [34].

Macaulay із співавторами (Macaulay et al., 2000) у відповідності між мотивами в нуклеотидних послідовностях HVS I і даними по гаплотипуванню за допомогою ПДРФ-аналізу склав характеристику основних гаплогруп мтДНК Східної Європи:

Гаплогрупа Н характеризується сайтом рестрикції –7025AluI та ідентифікується транзицією гуаніну на аденін у 00073 поз.

Гаплогрупа V характеризується сайтами рестрикції – 4577NlaIII та –14766MseI і мутацією в поз.16298 контрольного регіону.

Для гаплогрупи U характерний сайт рестрикції +12308HinfI.

Гаплогрупа К характеризується сайтом рестрикції –905HaeII, +10394DdeI, ідентифікується мутацією в поз.16224 та 16311 контрольного регіону.

Гаплогрупа J характеризується сайтами рестрикції +10394DdeI, -13704BstOI і мутаціями в поз.16069 та 16126.

Для гаплогрупи T характерний сайт рестрикції +15606AluI та мутації в поз.16126 і 16294.

Гаплогрупа I характеризується сайтом рестрикції +10032AluI та мутаціями в поз. 16129, 16223, 16391.

Гаплогрупа W характеризується сайтом рестрикції –8994HaeIII та мутаціями в поз. 16223 і 16292.

Для гаплогрупи Х характерний сайт рестрикції +14465 АссI та мутації в поз. 16223, 16278 [34].

Характер мінливості мтДНК, який знайдено в популяції, може дати інформацію не тільки про «походження» цієї популяції, але і про її демографічну історію. По особливостях поліморфізму мтДНК можна судити про те, як змінювалася її чисельність, чи мали місце в її історії демографічні експансії або, навпаки, різкі зниження чисельності.

З гідно літературним даним, гаплогрупа Н показує найвищі частоти поширення в Західній і Північній Європі (40-50%), середні – у південній і південно-західній частині континенту, Північній Африці, Східній Європі, Туреччині (20-40%) і низькі на Близькому Сході, в Індії і Центральному Сибіру (менш 20%). Місцем її виникнення вважається Близький Схід.

Гаплогрупа V досягає своєї найбільшої частоти в Південно-Західній Європі (баски, каталонці), з частотою до 40% зустрічається у саамів (скандинавських), виявлена в Північній Африці (8-11%), але відсутня у популяціях Південно-Східної Європи і на Близькому Сході. Поява цієї гаплогрупи датується 10-15 тис. років тому.[49]. Два мотиви цієї групи, що характеризуються замінами в позиціях 16298 та 16298-16135а, є загальними для європейського континенту.

Гаплогрупа U є самою древньою і по оцінках фахівців її еволюційний вік складає 50 тис. років.Ця гаплогрупа включає декілька субкластерів U1-U8. До цієї ж групи відноситься кластер К.

Гаплогрупи Т та J своїми коренями йдуть на Близький Схід. А гаплогрупа I переважно поширена в країнах Північно-Західної Європи

 

Рис. 2. Медіанна мережа, що відбиває філогенетичні відносини гаплотипів мтДНК у вибірці пацієнтів з підозрою на мітохондріальнупатологію.

 

 

Поєднавши найбільш інформативні методи, такі як, секвенування та ресктрикційний аналіз (ПДРФ-анализ), ми провели дослідження варіабельності мтДНК українців із 5 регіонів України. Нам вдалось визначити типи мутацій в контрольному регіоні мтДНК та регіоні, що некодує, і встановити приналежність к визначеним гаплогрупам. Було встановлено, що більшість типів мтДНК належить гаплогрупам, які характерні для Європейської популяції. Однак, спостерігається і домішка азіатського компоненту. Дослідження також продемонстрували високий рівень різноманітності мітохондріального генофонду, наявність кореляції між типами мтДНК і етногеографічним походженням індивідуумів (рис.2).

Популяція українців входить у субкластер, який схожий з популяціями сербів, німців, молдаван, угорців, хорватів і чехів. Цей субкластер поєднує популяції Центральної і Східної Європи – європеоїдів, пращури яких вийшли із Передньої Азії, Причорномор'я, а раніше – із регіонів глибинної Азії (пращури угорців хунну) мігрували по азіатським і південно-російських степах у Європу.