Атлас генетических смешиваний (A Genetic Atlas of Human Admixture History)

Издавна люди заметили, что дети часто наследуют внешние признаки своих родителей. В целом это не выглядело лишённым какой-то логики (с учётом того, как рождаются дети), однако механизм подобного наследования долгое время был неизвестен.

Только в XX веке, благодаря развитию микробиологии, человечество смогло узнать о том, как именно передаётся наследственная информация. Изучением этих механизмов занимается генетика, новая наука, бурно развивавшаяся в течение всего XX века.

Генетическая информация хранится в виде последовательностей нуклеотидов в молекулах ДНК. Геном каждого человека содержит более трёх миллиардов нуклеотидов. Это огромный объём данных, с которым было невозможно работать в докомпьютерную эпоху. Благодаря современным технологиям, генетические исследования получили возможность перейти на принципиально новый уровень.

Об одном из таких весьма интересных исследований, проведённых группой британских учёных под управлением Гаррета Хелленталя, мы сегодня и поговорим. Особый наш интерес будет представлять то, что результаты оформлены в виде интерактивной карты, что намного интереснее, чем непонятные формулы, таблицы и графики, доступные лишь узким специалистам.

Идея исследования

Каждый человек наследует генетическую информацию от своих родителей. При этом часть её он получает от отца, а часть - от матери. Процесс получение случайных фрагментов генетической информации клетки-потомка из клеток-источников называется рекомбинацией. Благодаря этому механизму не только у людей, но и в живой природе вообще поддерживается разнообразие и изменчивость геномов.

Однако интерес представляет не только геном конкретных индивидов, но и схожие между собой особенности геномов больших групп людей. Достаточно интересно исследовать то, как те или иные особенности геномов встречаются в различных группах, какие исторические события за этим стоят.

Идея авторов данного исследования выглядит достаточно простой. Рассмотрим наследование ДНК среди двух существенно различающихся генетических групп. В результирующих ДНК будут наблюдаться всё более короткие непрерывные фрагменты исходных ДНК. Чем короче непрерывные фрагменты ДНК, тем больше поколений назад случилось смешение ДНК их владельцев. Таким образом, сравнивая ДНК современных людей, можно пытаться находить между ними сходства, вызванные конкретными событиями генетического смешивания в прошлом.

Схематическое изображение процесса генетического смешивания:

Для своего исследования авторы собрали выборку с информацией о геноме 1490 человек по всему миру, разделённых на 95 групп (по национальному или территориальному признаку). Например, группа "русские" содержит 25 человек. Для каждого человека имелся генотип из 474491 генетических маркеров (снипов) по всем 22 неполовым хромосомам.

Далее, для каждой группы с помощью статистических методов были выявлены характерные сходства с другими группами. Благодаря этому были выявлены отдельные события, происходившие определённое число поколений назад.

Длительность одного поколения в авторской модели была принята за условные 28 лет. Кроме того, в условиях отсутствия информации о дате рождения участников выборки, было принято решение считать её равно 1950. В итоге примерная дата события смешивания, произошедшего G поколений назад определяется по следующей формуле: 1950-28x(G-1).

К примеру, для события из авторского примера (смешение генов йоруба и марокканцев у африканского народа мозабитов) G=23, из-за чего примерная дата события определена 1334 год. Разумеется, в статистическом смысле, из-за чего следовало бы уточнить, что с доверительным интервалом 95% эта дата попадает в диапазон 1250-1418.

По итогам работы авторы опубликовали совместную статью в журнали Science. Сама статья содержит всего 5 страниц из-за ограничений журнального формата. Поэтому она содержит лишь общие сведения, а подробности разработанного метода изложены в более чем 100-страничном документе с дополнительными материалами.

Значимым результатом работы является составленный авторами на основе исследования атлас, демонстрирующий визуально результат их работы.

Описание атласа

Атлас представляет из себя сайт по адресу admixturemap.paintmychromosomes.com

В верхнем меню присутствуют пять пунктов:

Historical event - выбор конкретных событий;
Target population - выбор популяции;
Data - ссылка на исходные данные;
Preferences - настройки;
Help and FAQ - краткая справка и часто задаваемые вопросы;

Настроек всего 3:

Cutoff - не оказывать на карте популяции с вкладом менее указанного процента (по умолчанию 5%);
Scale - масштаб диаграмм на карте (по умолчанию 3.5%);
Sea colour - цвет моря-окияна.

Для непосредственного изучения следует выбрать или событие и популяцию, или только популяцию (из меню или по маркеру на карте).

После выбора в правой части экрана будут показаны вычисленные авторской моделью данные. Графики по парам групп означают "кривые сопредковости" (coancestry curves), которые отражают информацию о длинах сегментов, унаследованных от каждой исходной группы источников смешения в зависимости от генетических расстояний в сантиморганах. Каждый график должен быть близок к экспоненте, скорость экспоненты (коэффициент в степени) зависит от того, сколько поколений назад произошло событие смешивания. Если график убывает, то две указанные группы должны иметь один и тот же источник примеси генетического материала. И, наоборот, если график возрастает, то источники примеси разные.

На основе кривых сопредковости все группы разделены на два списка side 1 и side 2. В парах в пределах одного списка графики убывают, из разных списков - возрастают.

Авторы предлагают два варианта отображения на карте: contrasts показывает событие в виде квадратов, размеры которых пропорционально отражают долю каждой источниковой группы, в то время как mixing coefficients показывает это в виде круговых диаграмм также пропорционального размера, но в них также отражается и разделение по двум цветам в соответствии с более старым событием смешивания (для варианта, где модель обнаруживает два события).

В случае двух событий в поле Analysis можно выбрать отдельно два анализа для обоих событий.

Примеры: русские

Интереснее всего, конечно, выбрать русских.

В детальной информации можно выбрать один из вариантов анализа данных. Полная выборка изучена в Full analysis. Тем не менее, для поиска более точных данных и уменьшения влияния ложных сигналов авторы сделали несколько анализов с уменьшенными наборами данных. В частности, для русских предлагаются результаты анализа выборок EastEuropeI и EastEuropeII.

По итогам анализа EastEuropeII модель обнаруживает одно событие, которое произошло примерно в 886 году (точнее, в интервале 774-1054). При этом в геном русских было привнесено какое-то количество генов, условно обозначаемых обозначаемых как "монголоподобные" (из-за обнаруженных сходств с генами монголов, орочонов и якутов), другая сторона условно обозначена как "польскоподобная".

Можно было бы подумать, что русские образовались из смешения "поляков" и "монголов", но это не так, это немного иначе работает. Модель не может обнаружить русских как одну из сторон смешения, но может найти другие близкие к русским народы. Для сравнения можно выбрать самих поляков и с удивлением обнаружить, что они в таком случае образованы в результате "французов" и "литовско-русских"... Из чего вполне очевидно, что из показанных данных нельзя делать выводы, что поляки - предки русских или что русские - предки поляков. Просто в русских есть генетические следы, которые также встречаются у тех и у других (но не встречаются у тех и других одновременно).

При выборе EastEuropeI analysis модель обнаруживает два события смешения. Одно произошло примерно в 2082 г. до н.э. (интервал 5302-542 до н.э.), другое же - в 1222 г. н.э. (1054-1614). В смешении участвует, с одной стороны, что-то "германо-австрийское" (также есть сходство с генами норвежцев, шотландцев и греков), с другой - опять же "монгольское".

При выборе Full analysis модель также обнаруживает два события со схожими датами, однако вместо "монголоподобных" она обнаруживает "орочоноподобные" гены (общие также с чувашами, в меньшей степени также якутами, сибо и хазарейцами, которых не следует путать с хазарами). Орочоны - малый народ в Китае (провинция Внутренняя Монголия), родственный эвенкам и тунгусам, они ещё до середины XX века вели кочевой образ жизни в окрестностях Амура, так что их родство с монголами вполне ожидаемо, и в данном случае обнаруживается тоже что-то "монголоподобное".

Очень характерно, что в генофонде русских обнаруживаются общие с монголами гены. Что-что вы там говорили по поводу монгольских генов у русских??? Причём дата события подозрительно намекает на татаро-монгольское нашествие. Неожиданно? Нет, более чем логично!

Примечание. Лично мне кажется, что на самом деле монгольские гены могли быть заимствованы не только у самих монголов напрямую, но и у разного рода "татарских" народностей, входивших в монгольскую империю и населявших Золотую Орду. Но в авторской выборке между русскими и "монгольскими" народами (монголы, якуты, орочоны, дауры) огромное пустое пространство, в котором одиноко представлена группа "чуваши", поэтому модель выявляет сигналы смешения только на такой длинной дистанции. Возможно, при наличии данных по этим многочисленным народам мы бы могли увидеть более целостную картину этих событий. Но это лишь моё предположение.

Примеры: французы

В качестве контраста можно посмотреть на французов. Для них модель определяет одно событие смешения, но статистически слабое, поэтому все связанные популяции обозначены серым цветом, и чтобы увидеть больше деталей, надо по специальной ссылке разрешить показывать недостаточно достоверные данные.

Кривые сопредковости для французов демонстрируют повышенный уровень зашумлённости, что существенно снижает статистическую значимость предполагаемого события.

На этом примере мы можем увидеть, что далеко не всегда метод даёт сколько-нибудь определённую картину генетических событий прошлого. Вроде что-то и отмечается, но невыразительно.

Как мне кажется, обширные популяционные контакты в Европе так размазали генетические маркеры по различным народам, что это мешает выделению чётких сигналов в геноме современных жителей Западной Европы. Возможно также, что сказывается слишком маленький объём выборок по некоторым группам. Например, в ней всего 6 англичан и 4 немца-австрийца.

Примеры: смешения эпохи монгольских завоеваний

В качестве ещё одного примера рассмотрим конкретное событие. Выберем из списка событий вариант Mongol era admixture in Eurasia. В результате в меню Target popolation и на карте мы увидим ограниченную выборку всего из 7 групп: монголы, дауры, уйгуры, узбеки, хазарейцы, лезгины и турки. В сопровождающем тексте внизу страницы можно почитать авторские комментарии по этому событию.

Авторы специально выбрали эти 7 групп из примерно 20 групп с выраженными сигналами, поскольку для них наблюдается подмешивание монгольского генетического материала к местным генетическим группам. Это может указывать на то, что генетическое событие могло произойти именно на этой территории, то есть в результате экспансии монголов сюда.

В частности, авторы отмечают, что для народа хазарейцев известны негенетические данные (исторические, лингвистические, фольклорные) по участию монголов в их этногенезе, и модель даже обнаруживает вполне себе подходящее под эти данные событие 22 поколения назад (1306 год, а точнее что-то в интервале 1250-1390), в котором смешались гены "иранцев" и "монголов".

Но авторы обращают также на ещё один интересный факт: сами монголы тоже демонстрируют генетическое смешивание с целым рядом групп, причём примерно в одно и то же время. Что указывает на то, что подобное смешение случилось в результате одного и того же события (монгольская экспансия).

Таким образом, на этом примере можно увидеть, как экспансия монголов отразилась в генофонде завоёванных ими народов.

Заключение

Это на самом деле интересное исследование, и очень характерно, что оно вполне согласовывается с реальной историй со всем её огромным массивом уже изученных фактов. В том числе и в очередной далеко не первый раз подтверждает наличие связи русского генофонда с монгольским.

Интересно также то, что результат этой работы оформлен в виде наглядной карты, над которой можно позалипать в поисках удивительных следов прошлого. Большинство других исследований обычно показывают только различные графики и диаграммы, глубокий смысл которых понятен только тем, кто непосредственно "в теме".

Ссылки

Атлас: admixturemap.paintmychromosomes.com

Статья: Garrett Hellenthal, George B. J. Busby, Gavin Band, James F. Wilson, Cristian Capelli, Daniel Falush, Simon Myers. A Genetic Atlas of Human Admixture History // 14 Feb 2014: Vol. 343, Issue 6172, pp. 747-751 DOI: 10.1126/science.1243518

Дополнительные материалы к статье

FAQ (ответы на вопросы)

Опосляскриптум

Вы, наверное, могли заметить, что в этой статье ни разу не упоминается слово "гаплогруппы" (ой, а теперь упоминается...). Да-да, генетика вообще и популяционная генетика в частности - это далеко не только про гаплогруппы. И в данном случае мы это ярко увидели.

Я переводил английское слово admixture как "смешивание", и оно может так переводиться, хотя скорее означает "примесь, примешивание", в то время как "смесь, смешивание" это просто mixture. Как я понимаю, события у авторов исследования симметричны, поэтому данная деталь несущественна.

Напоминаю, что раньше я уже рассказывал про другой интересный проект с картографическим представлением - карту границ Руси и России с древнейших времён.