МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2004, том 38, № 4, с. 602-608
== ГЕНОМИКА. ТРАНСКРИПТОМИКА. ПРОТЕОМИКА =
УДК 575.174:599
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МУТАЦИОННЫХ СПЕКТРОВ ГИПЕРВАРИАБЕЛЬНОГО СЕГМЕНТА 1 В ФИЛОГЕОГРАФИЧЕСКИХ ГРУППАХ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК ЧЕЛОВЕКА
© 2004 г. Б. А. Малярчук*
Институт биологических проблем Севера Дальневосточного отделения Российской академии наук,
Магадан, 685000 Поступила в редакцию 30.10.2003 г.
Проанализирована изменчивость нуклеотидных последовательностей гипервариабельного сегмента 1 мтДНК, относящихся к 88 филогеографическим кластерам, распространенным среди населения Африки, Западной и Восточной Евразии. Выявлены достоверные различия в распределении мутаций в митохондриальных генофондах региональных групп человека. Приведен список нуклеотидных позиций гипервариабельного сегмента 1, нестабильность которых объясняется моделью дислокации (смещения) цепей мтДНК в процессе репликации. Показано, что смещение цепей ДНК является одним из главных механизмов контекст-зависимого мутагенеза мтДНК в процессе региональной дифференциации популяций человека.
Ключевые слова: митохондриальная ДНК человека, главная некодирующая область, гипервариабельный сегмент 1, нуклеотидные замены, "горячие" точки, механизмы мутагенеза.
COMPARATIVE ANALYSIS OF THE HYPERVARIABLE SEGMENT 1 MUTATIONAL SPECTRA IN HUMAN MITOCHONDRIAL DNA PHYLOGEOGRAPHIC GROUPS, by B. A. Malyarchuk (Institute of Biological Problems of the North, Far-East Branch of the Russian Academy of Sciences, Magadan, 685000 Russia; *e-mail: malyar@ibpn.kolyma.ru). Variability of the mtDNA hypervariable segment 1 (HVS 1) nucleotide sequences belonging to 88 phylogeographic clusters characteristic for human populations of Africa, West and East Eurasia was analyzed. Statistically significant differences between distribution of mutations in mitochondrial gene pools of the human continental groups were revealed. The list of the HVS 1 nucleotide positions characterizing by instability explained by the model of mtDNA strands dislocation during the replication process is suggested. It was shown that DNA strands dislocation during mtDNA replication is one of the key mechanisms of the context-dependent mtDNA mutagenesis during the regional differentiation of human populations.
Геном митохондрий человека представлен кольцевыми молекулами ДНК размером 16569 п.н., которые наследуются клонально по материнской линии без рекомбинации [1, 2]. Изучение изменчивости митохондриального генома приобрело особую актуальность в последние десятилетия в связи с развитием исследований в области эволюции человека, генетической истории этнорасо-вых групп и молекулярной медицины.
С помощью популяционно-генетических исследований установлено, что митохондриальный генофонд человека характеризуется континент-специфическим распределением монофилетичес-ких кластеров (групп и подгрупп) ДНК, а генофонды этнорасовых групп человека представлены различными комбинациями групп мтДНК [2]. Согласно данным филогеографических исследований, все евразийские группы мтДНК входят в состав трех макрогрупп - М, N и Я, которые про-
* Эл. почта: malyar@ibpn.kolyma.ru
изошли из единственной африканской группы Ь3 и начали распространяться в Евразии ~б0 тыс. лет тому назад по мере освоения ее территорий человеком современного типа [3-5]. Митохондриаль-ные генофонды популяций западной и восточной частей Евразии имеют различное происхождение и принципиально различаются по составу групп мтДНК. В генофондах популяций Западной Евразии наибольшее распространение получили группы мтДНК, относящиеся к макрогруппам N и Я, в генофондах популяций Восточной Евразии -группы мтДНК, принадлежащие макрогруппе М, а также восточноевразийские разновидности макрогрупп N и Я. Генофонды африканских популяций представлены группами мтДНК из макрогруппы Ь.
Существование географических различий в распределении групп мтДНК у населения Евразии и Африки может объясняться с разных позиций. С одной стороны, эти различия могли возникнуть в результате случайных процессов. В этом случае
следует предположить, что заселение человеком разных регионов Евразии изначально происходило малыми по численности группами, вследствие чего дрейф генов играл исключительную роль в фиксации вариантов мтДНК, относящихся к определенным макрогруппам. С другой стороны, генетические различия между региональными группами населения Евразии могли возникнуть под воздействием отбора, которым сопровождался процесс адаптации популяций к новым клима-то-географическим условиям. К настоящему времени уже получены данные о возможном влиянии отбора на формирование особенностей митохон-дриальных генофондов различных региональных групп населения [6-11]. Так, при изучении изменчивости нуклеотидных последовательностей полногеномных мтДНК у населения тропической, умеренной и арктической зон [10] обнаружены различия в вариабельности митохондриальных генов, что может объясняться участием климатических факторов в том комплексе причин, которые привели к структурным различиям митохондриальных генофондов региональных групп населения мира. Между тем, неизученным остается вопрос о том, в какой мере отбор мог повлиять на изменчивость главной некодирующей области мтДНК, в которой сосредоточены все структурно-функциональные элементы, ответственные за инициацию и регуляцию процессов транскрипции и репликации митохондриального генома. Поэтому, учитывая существующую филогеографичес-кую структуру митохондриального генофонда, на первом этапе представляется целесообразным проанализировать мутационные спектры участков главной некодирующей области мтДНК в разных региональных группах населения. Наиболее изучена изменчивость нуклеотидных последовательностей гипервариабельного сегмента 1 (ГВС1) главной некодирующей области, который расположен в ее 5'-части.
Цель настоящей работы состояла в анализе распределения нуклеотидных замен ГВС1 в типах мтДНК, относящихся к филогеографическим группам, характерным для населения трех регионов мира - Африки, Западной и Восточной Евразии.
УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Поиск вариабельных позиций мтДНК проводили с помощью филогенетического подхода, позволяющего выявлять нестабильные нуклео-тидные позиции, в которых идентичные мутации возникали независимо и многократно в разных кластерах мтДНК [12]. Использовали данные об изменчивости нуклеотидных последовательностей ГВС1 в монофилетических группах мтДНК, выделенных на основании данных о полиморфизме кодирующих участков митохондриального генома, темпы изменчивости которых значительно
ниже. Анализируемая нами база данных представлена 7482 последовательностями ГВС1 мтДНК (между позициями 16092-16365), принадлежащими к 88 группам мтДНК. Из них 28 групп (H, HV*, pre-V, pre-HV, R*, T1, T*, J*, J1a, J1b, J2, K, U*, U1, U2, U3, U4, U5, U7, U8a, U8b, N1a, N1b, N1c, N*, I, W, X) распространены у населения Западной Евразии (n = 3834 последовательностей ГВС1 [13]), 34 группы мтДНК (C, Z, M8a, D4 (включая D*), D5, G2, G3, G4, E, M*, M7*, M7b, M7c, M9, M10, A, N9a, N2, N*, Y, R9a, R*, F*, F1a, F1b, F1c, F2, B*, B4*, B4a, B4b, B5*, B5a, B5b) распространены в популяциях Восточной Евразии (n = 801 по данным [14-18]) и 26 групп мтДНК (L1a1, L1a2, L1b, L1c*, L1c1, L1c2, L1c3, L1d, L1e, L2a*, L2a1a, L2a1b, L2b, L2c, L2d1, L2d2, L3b1, L3b2 (включая L3b*), L3d, L3e1, L3e2, L3e3, L3e4, L3f*, L3f1, L3g) распространены в популяциях Африки (n = 2847 по данным [5]).
Анализ изменчивости и поиск вариабельных участков в ГВС1 мтДНК состоял из следующих этапов: (1) кластеризация нуклеотидных последовательностей ГВС1 в группы типов мтДНК, родственных по происхождению, на основании данных о распределении группоспецифических полиморфных вариантов кодирующих участков митохондриального генома с использованием метода медианных сетей; (2) поиск вариабельных позиций ГВС1 в пределах каждой из групп типов мтДНК; (3) оценка частоты встречаемости вариабельных позиций ГВС1 в разных группах типов мтДНК. Мутации учитывали относительно L-цепи кембриджской последовательности мтДНК человека [1], используемой в митохондриальной генетике в качестве эталонной. В анализе рассматривали только прямые мутации (единственное исключение - позиция 16223), поскольку для идентификации обратных мутаций и оценки независимости их появления в разных линиях мтДНК необходимо проведение анализа на уровне подгрупп мтДНК, что возможно пока лишь для некоторых групп мтДНК с хорошо охарактеризованной субструктурой [5]. В позиции 16223 регистрировали и прямые, и обратные мутации, поскольку установлено [3], что нуклеотидная последовательность ГВС1 кембриджской мтДНК, входящая в состав кластера R, отличается от эволюционно более ранних последовательностей мтДНК (N-, M- и L3-корневыx) вариантом 16223C. Поэтому транзиции T —► C, приводящие к появлению кластера R и отдельных типов мтДНК в составе макрогрупп M и L, учитывали как прямые мутации, а транзиции C —► T, регистрируемые в различных группах мтДНК кластера R (H, J*, K, pre-HV, R*, U2, U3, U4, U5, B4), как обратные мутации.
Частоту гомоплазии прямых мутаций рассчитывали по соотношению числа независимых появлений идентичных мутаций в различных филогенетических кластерах к общему числу проанализи-
Таблица 1. Анализ распределения частот транзиций в региональных спектрах ГВС1 мтДНК
Транзиция Западная Евразия: группы N(WEA), Я^А) Восточная Евразия: группы М, ЩЕЕА), Я(ББА) Африка: группы Ь
п т т/п п т т/п п т т/п
Т —► С С —► Т А —► О О —► А 38 71 47 14 274 429 134 72 7.2 6.0 2.8 5.1 36 61 32 8 161 180 65 54 4.4 2.9 2.0 6.7 34 56 42 10 203 338 97 62 5.9 6.0 2.3 6.2
Примечание. п - число полиморфных позиций; т - число мутаций; т/п - мутационное давление, показывающее среднее число мутаций на полиморфную позицию.
рованных кластеров мтДНК. Статистическую значимость различий между частотами мутаций в мутационных спектрах ГВС1 мтДНК определяли с помощью 1-теста (пакет БТАТ^ТЮАм 5.0). Статистический анализ модели дислокационного мутагенеза ДНК проводили с помощью программы СОКББК [19, 20]. Эта модель основана на предположении о том, что смещ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.