Генетическая адаптация популяций человека к природным и антропогенным факторам среды
На правах рукописи
Боринская Светлана Александровна ГЕНЕТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ ПОПУЛЯЦИЙ ЧЕЛОВЕКА К ПРИРОДНЫМ И АНТРОПОГЕННЫМ ФАКТОРАМ СРЕДЫ 03.02.07 – генетика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Москва – 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте общей генетики им.Н.И. Вавилова Российской академии наук.
Научный консультант:
доктор биологических наук, член-корреспондент РАН Янковский Николай Казимирович
Официальные оппоненты:
Баранов Владислав Сергеевич доктор медицинских наук, профессор, член-корреспондент РАМН зав. лабораторией в Федеральном государственном бюджетном учреждении Научно исследовательском институте акушерства и гинекологии им. Д.О. Отта Российской академии медицинских наук, г. Санкт-Петербург.
Гельфанд Михаил Сергеевич доктор биологических наук, профессор зам. директора в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем передачи информации им. А.А. Харкевича Российской академии наук, г. Москва.
Малярчук Борис Аркадьевич доктор биологических наук, профессор, зав. лабораторией в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте биологических проблем Севера Дальневосточного отделения Российской академии наук, г. Магадан.
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В.
Ломоносова».
Защита состоится «_18_» _ноября_ 2013 г. в _14_ часов на заседании диссертационного совета Д 002.214.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте общей генетики им. Н.И.Вавилова Российской академии наук (119991, Москва, ул. Губкина, д.3). Тел. 8(499)135-62-13;
FAX: 8(499)132-89-62;
E.mail:
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОГен РАН
Автореферат разослан «» октября 2013 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Д 002.214. по защите докторских и кандидатских диссертаций, Синельщикова Т.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы Популяционно-генетическая адаптация к локальным условиям среды может быть представлена как изменение частот аллелей вследствие естественного отбора признаков, ассоциированных с этими аллелями и важных для выживания и успешной репродукции человека. Помимо процессов адаптации, на изменение частот аллелей влияют генетический дрейф и миграции. Исследования генетической адаптации человека занимает одно из центральных мест в биологической антропологии, генетике человека и эволюционной биологии, и уже дали значительный вклад в понимание взаимодействия средовых и генетических факторов, влияющих на здоровье человека.
Ранее при идентификации адаптации к локальной среде часто использовалось сравнение распределения фенотипов по отношению к средовым переменным, предположительно отражающим давление отбора. Такой подход был использован в классических исследованиях географического распределения аллелей бета-талассемии [Холдейн, 1949] и серповидноклеточной анемии [Эллисон, 1954], придающих устойчивость к малярии. Более поздние исследования дали прямые подтверждения «малярийной гипотезы».
Для проверки гипотез о вовлечении определенного фенотипа в процесс адаптации и выявлении факторов среды, эту адаптацию вызывающих, необходим сбор фенотипических данных, что дорого и требует значительного времени, анализа больших выборок для достижения статистически значимых показателей [Hancock et al., 2008, 2010].
В то же время в последнее десятилетие интенсивно развиваются подходы к выявлению паттернов вариаций в геноме человека, свидетельствующих о действии отбора. Участки генома, подверженные действию отбора, отличаются по ряду характеристик от участков с нейтральными генетическими вариациями [Gillespi et al., 1991]. Недавнее развитие технологий и ресурсов (проекты HapMap, «1000 геномов» и др.) для исследования генетических вариаций человека в беспрецедентном масштабе позволяет исследователям сканировать полные геномы человека в поиске сигналов позитивного отбора (см. обзор в [Hancock et al., 2008, 2010]). Для многих локусов, выявленных методом геномного сканирования как предполагаемых мишеней отбора, связь с фенотипическими признаками пока не известна [Coop et al., 2009]. Не известны и факторы отбора этих локусов.
Наиболее очевидными факторами являются адаптация к геоклиматическим условиям, особенностям традиционного питания, эндемичным инфекциям и особенностям образа жизни. Эти факторы можно подразделить на природные (особенности климата или биоты) и антропогенные, возникшие в результате деятельности человека (хозяйственно культурные различия, возникшие в результате развития земледелия, одомашнивания скота, изменения социальной структуры). Эти факторы тесно взаимодействуют.
Хозяйственно-культурые особенности обществ зависят от климатических условий, экорегиона. При этом ведение хозяйства определенного типа трансформирует ландшафт, меняет биоразнообразие. Одомашнивание животных приводит не только к изменению особенностей питания, но и к передаче возбудителей новых для человека инфекций от скота и других животных. Развитие земледелия ведет к росту плотности населения, что, в свою очередь, приводит к изменению эпидемиологической ситуации. Развитие технологий хранения продуктов также ведет к появлению дополнительных источников инфекций, распространяемых, например, грызунами. Таким образом, хозяйственная деятельность человека приводит к возникновению новых факторов отбора, адаптация к которым приводит к изменению частот аллелей генов, вовлеченных в адаптацию, или появлению и распространению новых аллелей. Проживающие в одном экорегионе общества с различным хозяйственным укладом могут отличаться по таким антропогенным факторам и вследствие этого могут иметь генетические различия, связанные с адаптацией к этим факторам.
В выявлении факторов среды, вызывающих генетическую адаптацию популяций человека, важным является сопоставление вариаций частот аллелей в популяциях и наличия потенциального фактора отбора в среде либо интенсивности его действия.
Различия между популяциями по составу и частоте аллелей формируются либо в результате локус-специфичных процессов (различные виды отбора, направленные на один или несколько локусов, определяющих адаптивный фенотип), либо в результате событий популяционного уровня (колебания численности и экспансия популяций, метисация и др.), которые затрагивают множество локусов одновременно. К указаниям на возможное действие отбора относят высокую популяционную частоту либо гомозиготность по эволюционно «молодым» аллелям, присутствие в популяции протяженных гаплотипов с частотой, превышающей ожидаемую для случайного распределения размеров гаплотипов, экстремально высокий уровень межпопуляционных различий по частоте аллеля (высокий уровень Fst) [Sabeti et al., 2006]. Совпадение ареалов действия конкретных факторов среды и высокой частоты тех или иных аллелей позволяет предполагать их связь, но не доказывает её. Однако именно такое совпадение, после контроля возможных причин корреляции на популяционном уровне (контроля генетической структурированности популяций), является основой для выдвижения и дальнейшей проверки гипотез о факторах отбора, влияющих на частоты аллелей в популяциях человека. Прямое доказательство таких гипотез может быть получено, если будет показана связь фенотипа и меры приспособленности (выживаемости или репродуктивного успеха) [Hancock et al., 2008, 2010].
Развитие данного направления исследований важно для понимания биологических основ заболеваний человека. Как вид Homo sapiens уникален в том, что имеет широчайший ареал расселения и за счет биологических и культурных адаптаций приспособлен к самым различным экорегионам, использованию различных стратегий ведения хозяйства и источников пищи. На протяжении большей части своего существования как вида человек вел образ жизни охотника-собирателя. С появлением производящего хозяйства возникли новые векторы давления отбора – переход на новый тип питания, изменение демографических характеристик обществ, появление новых источников инфекций в результате перехода к оседлому образу жизни, развитию технологий хранения продуктов, одомашнивания животных. В рамках гипотезы об «экономичных генах» («thrifty» гипотеза [Neel et al., 1998, 1999]) предполагается, что аллели генов, обеспечивших эффективное использование дефицитных нутриентов (сахаров, холестерина, соли) у охотников-собирателей, после развития производства продуктов и особенно в индустриализованных обществах стали аллелями риска соответствующих заболеваний (диабета, атеросклероза, гипертонии).
Выявление аллелей генов, являющихся факторами риска развития широкораспространенных заболеваний в одних условиях среды и протективных или нейтральных в других условиях среды, актуально как с точки зрения генетики человека и эволюционной биологии, так и для фундаментальных аспектов антропологии и практического здравоохранения.
Для исследования влияния природных и антропогенных факторов на частоты аллелей в популяциях человека и их связь с важными для здоровья признаками актуальными являются междисциплинарные исследования, дающие новые подходы к пониманию путей и механизмов адаптации популяций человека изменяющимся условиям среды. Такие исследования предпринимались в отношении климатических факторов [Coop et al., 2009;
Hancock et al., 2008a] и эндемичных инфекций [Fumigalli et al., 2011]. Обширный массив сведений о факторах среды, влияющих на организм человека (особенности диеты, распространение инфекций и многие другие), содержится в базах данных, ранее сформированных исследователями в областях гуманитарных наук. Это в первую очередь база данных Дж.П. Мердока «Этнографический атлас». Такие базы пока крайне мало использовались в популяционно-генетических исследованиях человека [Gugliemino et al., 1995;
Bersaglieri et al., 2004;
Hancock et al., 2008b, 2010]. Они содержат информацию о сотнях этнических групп, которые, в случае географической компактности обитания, могут рассматриваться как популяции. Использование данных «Этнографического атласа» для выявления корреляций с частотами аллелей популяций, обитающих в тех же регионах, может дать информацию о тех генах, аллели которых важных для адаптации к факторам.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Цель исследования - разработка подхода к выявлению генов человека, потенциально вовлеченных в популяционно-генетическую адаптацию к окружающей среде за счет изменения частот аллелей, и выявлению факторов среды, связанных с этой адаптацией, и апробация этого подхода для выявления природных и антропогенных факторов среды, влияющих на изменение частот аллелей генов, ассоциированных с важными для здоровья признаками.
Задачи исследования 1. Анализ литературных данных для выявления генов – потенциальных мишеней отбора, для которых известны частоты аллелей в большом количестве популяций мира, обитающих в контрастных условиях среды.
2. Исследовать характер географического распределения частот аллелей этих генов.
3. Сформировать коллекции биологических образцов из популяций, закрывающих «белые пятна» на геногеографической карте. Определить в этих образцах аллельный статус по генам - потенциальным мишеням действия отбора. Сформировать базы данных частот аллелей выбранных генов по опубликованным и собственным экспериментальным данным.
4. Определить фенотипические различия, детерминированные носительством разных аллелей исследуемых генов, их возможную роль в процессе адаптации и сопряженное влияние адаптивных аллелей на признаки, важные для здоровья людей.
5. Выявить средовые факторы, с которыми коррелируют частоты аллелей в популяциях.
6. Проанализировать соответствие распределения частот аллелей генетической структурированности популяций как альтернативное объяснение обусловленных отбором корреляций со средовыми факторами.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА В работе получены следующие оригинальные результаты:
Предложен новый подход к выявлению генов человека, потенциально вовлеченных в популяционно-генетическую адаптацию к окружающей среде, и факторов, связанных с адаптацией, на основе сравнения межпопуляционных различий в частотах аллелей и формализованных этнографических описаний, соответствующих популяциям этнических групп.
Экспериментально установлены частоты аллелей генов APOE, LCT, CCR5, ADH1B для популяций России и ряда сопредельных стран, из которых большинство было ранее не исследовано, а для некоторых были опубликованы ошибочные данные.
Созданы базы данных по частотам изученных аллелей генов APOE, LCT, CCR5, ADH1B.
Показано клинальное (по широте) распределение частот аллелей 3 и 4 в популяциях Африки и Евразии, при этом предковый аллель е4 достигает максимальной частоты в северных (субарктических) и южных (субсахарских) популяциях. Выдвинута гипотеза об участии гена АРОЕ в адаптации к климатическим условиям.
Показано, что частота аллеля е4 положительно коррелирует с вкладом охоты собирательства в хозяйство, и что ассоциация с охотой-собирательством выше, чем с широтой. Такой анализ впервые проведен на количественных данных о вкладе охоты собирательства в хозяйство.
Показано, что в популяциях Европейской части России гиполактазия детерминируется преимущественно или исключительно генотипом C/C по полиморфизму LCT*-13910. Выявлено расхождение частот генотипа C/C и частот гиполактазии в азиатских популяциях, что указывает на возможное наличие в них других генетических детерминантов гиполактазии/персистенции лактазы у взрослых.
Дана косвенная оценка верхней возрастной границы снижения синтеза лактазы ( года) у русских носителей генотипа C/C по полиморфизму LCT*-13910C/T.
На основе сравнения частот аллеля CCR5del32 в современных и исторических популяциях Евразии выдвинута гипотеза о том, что фактор отбора этого аллеля действовал до 3000 лет назад, и продолжал действовать также и после этого периода времени.
Показано наличие слабого (OR = 1.22, CI95% = 1.10–1.36).), но статистически значимого (p=0.0002) протективного эффекта гетерозиготного носительства аллеля CCR5del32 в отношении ВИЧ-инфицирования на основе данных мета-анализа. Впервые дана оценка возможных межпопуляционных различий инфицируемости ВИЧ и выживаемости ВИЧ-инфицированных в зависимости от различий в популяционных частотах аллеля CCR5del32.
На основе собственных и опубликованных данных о частоте протективного в отношении алкоголизма аллеля ALDH2*504Lys определено географическое распределение частот этого аллеля в Евразии для 190 популяций. Во всех исследованных популяциях РФ частота этого аллеля не превышает 1-2%. Таким образом, вклад носительства аллеля ALDH2*504Lys в генетически обусловленное снижение риска развития алкоголизма на популяционном уровне не может быть значительным для населения РФ.
На основе собственных и литературных данных для 172 популяций Евразии определен характер его географического распределения частот аллеля ADH1B*48His.
Частота встречаемости этого аллеля, обладающего протективным действием в отношении алкоголизма, экспериментально установлена в 27 популяциях, представляющих этнических групп Евразии.
Показано, что по частотам аллелей ADH1B*48His и ALDH2*504Lys, а следовательно и по особенностям метаболизма этанола, определяемым ферментами, кодируемыми этими генами, русские не отличаются от других народов Европы Показано, что носительство данного аллеля у русских является протективным в отношении запоев.
На основе анализа корреляций частот аллеля ADH1B*48His в популяциях Северной Африки и Евразии с распространенностью эндемичных инфекций в тех же популяциях выдвинута гипотеза о протективном действии этого аллеля в отношении филяриозов.
Указаны методы экспериментальной проверки предложенной гипотезы.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ Показано, что в популяциях европейской части России гиполактазия детерминируется преимущественно или исключительно генотипом C/C LCT-13910C/T.
Это дает основания для выбора данного генотипа как единичной мишени для ДНК диагностики гиполактазии в этих популяциях. Нераспознанная вовремя гиполактазия приводит к ухудшению качества жизни, которое может быть снято рекомендациями по диете. Доля взрослых индивидов, неспособных к усвоению цельного молока, составляет до 36% в европейской части России увеличиваясь до более 70% в коренном населении азиатской части РФ. С учетом высокой пенетрантности (до 100%) столь высокие частоты носительства данного генотипа делают практически значимым проведение ДНК диагностики гиполактазии по носительству данного генотипа, в том числе предиктивной.
Такая диагностика представляется особенно целесообразной, поскольку проявление генетически детерминированной гиполактазии у части индивидов ошибочно приписывается другим заболеваниям.
Показано наличие слабого (OR=1.22), но статистически значимого протективного эффекта гетерозиготного носительства аллеля CCR5del32 в отношении ВИЧ инфицирования на основе данных мета-анализа. Дана оценка возможных межпопуляционных различий инфицируемости ВИЧ и выживаемости ВИЧ инфицированных в зависимости от различий в популяционных частотах аллеля CCR5del32.
На основе анализа корреляций частот аллеля ADH1B*48His с распространенностью эндемичных инфекций в тех же популяциях выдвинута гипотеза о протективном действии этого аллеля в отношении филяриозов и указаны методы экспериментальной проверки предложенной гипотезы. Это открывает путь к выявлению молекулярно-генетических механизмов, определяющих повышенную устойчивость или предрасположенность к данному заболеванию, затрагивающему большее количество индивидов (около 120 млн человек), чем все известные моногенно контролируемые наследственные заболевания человека.
Показано, что носительство аллеля ADH1B*48His у русских является протективным в отношении запоев.
Получены собственные и проанализированы литературные данные о частоте протективного в отношении алкоголизма аллеля ALDH2*504Lys. Во всех исследованных популяциях РФ частота этого аллеля не превышает 1-2%. Таким образом, вклад носительства аллеля ALDH2*504Lys в генетически обусловленное снижение риска развития алкоголизма на популяционном уровне не может быть значительным для населения РФ.
Результаты работы использовались - в лекциях для студентов, аспирантов, прочитанных в рамках курса «спецглавы генетики» на кафедре генетики биологического факультета МГУ и курса общей биологии на факультете молекулярной и биологической физики МФТИ;
- в лекциях на курсах повышения квалификации учителей биологии биологического факультета МГУ;
- в общеобразовательных лекциях и выступлениях автора и других специалистов на общероссийских каналах телевидения и радио, публиковались в общероссийских средствах массовой информации.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ Предложен новый подход к выявлению генов человека, потенциально вовлеченных в популяционно-генетическую адаптацию к окружающей среде, и факторов, связанных с адаптацией, на основе сравнения межпопуляционных различий в частотах аллелей и формализованных этнографических описаний соответствующих изучаемым популяциям этнических групп.
Выдвинута гипотеза об участии гена АРОЕ в адаптации к климатическим условиям.
Изменение частот аллелей АРОЕ коррелирует с вкладом охоты-собирательства в хозяйство: частота аллеля 4 выше в популяциях охотников-собирателей.
В популяциях европейской части России гиполактазия детерминируется преимущественно или исключительно генотипом C/C LCT-13910. Выявлено расхождение частот генотипа C/C и частот гиполактазии в азиатских популяциях, что указывает на возможное наличие в них других генетических детерминантов гиполактазии/персистенции лактазы у взрослых.
Впервые для русских получена оценка возраста (22 года) фенотипического проявления различий между носителями генотипа C/C LCT-13910 и аллеля Т.
На основе сравнения частот аллеля CCR5del32 в современных и исторических популяциях Евразии выдвинута гипотеза о том, что фактор отбора этого аллеля действовал на протяжении нескольких тысяч лет.
Гетерозиготное носительство аллеля CCR5del32 обладает слабым (OR=1.22), но статистически значимым протективным эффектом в отношении ВИЧ-инфицирования, что показано на основе данных мета-анализа. Дана оценка возможных межпопуляционных различий инфицируемости ВИЧ и выживаемости ВИЧ-инфицированных в зависимости от различий в популяционных частотах аллеля CCR5del32. На популяционном уровне вклад аллеля CCR5del32 в выживаемость и инфицируемость ВИЧ относительно невелик.
На основе собственных экспериментальных и опубликованных данных о частоте протективного в отношении алкоголизма аллеля ALDH2*504Lys распределение частот этого аллеля в Евразии. Во всех исследованных популяциях РФ частота этого аллеля не превышает 1-2%. Таким образом, вклад носительства аллеля ALDH2*504Lys в генетически обусловленное снижение риска развития алкоголизма на популяционном уровне не может быть значительным для населения РФ.
Частота встречаемости аллеля ADH1B*48His, обладающего протективным действием в отношении алкоголизма, экспериментально установлена в 27 популяциях, представляющих 20 этнических групп Евразии. На основе собственных и литературных данных для 172 популяций определен характер географического распределения его частот в Евразии. Для исследованных популяций РФ частота этого аллеля варьирует от 3-8% для населения европейской части страны до более 30% для коренного населения Южной Сибири и Дальнего Востока Показано, что по частотам аллелей ADH1B*48His и ALDH2*504Lys генов алкогольдегидрогеназы и альдегиддегирогеназы, а следовательно и по особенностям метаболизма этанола, определяемым ферментами, кодируемыми этими генами, русские не отличаются от других народов Европы.
Показано, что носительство аллеля ADH1B*48His у русских является протективным в отношении запоев.
На основе анализа корреляций частот аллеля ADH1B*48His с распространенностью эндемичных инфекций в тех же популяциях выдвинута гипотеза о протективном действии этого аллеля в отношении филяриозов;
указаны методы экспериментальной проверки предложенной гипотезы АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные результаты были доложены на следующих семинарах, конференциях и конгрессах: 31st Annual Meeting Society for Cross-Cultural Research, Santa Fe, США, 2002;
Molecular Evolution, Genomics and Bioinformatics, Sorrento, Италия, 2002;
Human Origin and Disease Meeting, Cold Spring Harbor, США, 2002;
Семинаре Нью-йоркского музея Естественной истории (Museum of Natural History), October 29, 2002, New York, США;
Международная конференция "Новые информационные технологии в медицине и экологии", Ялта-Гурзуф, Украина, 2002;
BGRS, Novosibirsk, 2002;
32nd Annual Meeting of Society for Cross-Cultural Research, Charleston, SC, США, 2003;
Актуальные проблемы генетики, Москва, 2003;
I Украинский конгресс по клинической генетике с международным участием “Метаболические наследственные заболевания”. Харьков, Украина, 2003;
33rd Annual Meeting of Society for Cross-Cultural Research, San Jose, California, США, 2004;
International workshop on nutrition and health of indigenous people of the North (NUHIP), Oulu, Финляндия, 2004;
III Съезде Вавиловского общества генетиков и селекционеров, Москва, 2004;
14th Congress of European Anthropological Association “Human variability: A bridge between sciences and humanities”. Komotini, Греция, 2004;
4th International Iran and Russia Conference “Agriculture and Natural Resources” ShahrKord, Иран, 2004;
Научной сессии Отделения информационных технологий и вычислительных систем РАН (ОИТВС РАН) «Информационные технологии в биологии» («Биоинформатика») 20 января 2004 г., Москва;
34th Annual Meeting of the Society for Cross Cultural Research and First General Scholarly Meeting of the Society for Anthropological Sciences. Santa Fe, New Mesico, США, 2005;
Human Genome Meeting-2005, Kyoto, Япония, 2005;
V съезд Российского общества медицинских генетиков, Уфа, 2005;
VI Конгресс этнографов и антропологов России. Санкт-Петербург, 2005;
Human Genome Meeting-2006, Helsinki, Финляндия, 2006;
7th Balkan Meeting of Human Genetics. Skopje, Республика Македония, 2006;
Международная Школа-конференция «Поведение человека и животных:
психологические, эволюционные и генетико-физиологические аспекты». Новосибирск, Nice, Франция, 2007;
2008;
39th European Human Genetics Conference (EHGC), Международная конференция, посвященная 90-летию академика Д.К.Беляева "Современные эволюционные представления в биологии, медицине и социологии".
Новосибирск, 2007;
Всероссийская конференция «Науки о жизни и образование.
Фундаментальные проблемы интеграции» памяти профессора М.В. Гусева, Москва, 2009;
Пятый Северный социально-экологический конгресс Москва, 2009;
Пятый съезд Вавиловского общества генетиков и селекционеров, Москва, 2009;
Международная научная конференция «Чарльз Дарвин и современная биология», Санкт-Петербург, 2009;
Human Genome Meeting-2011, Dubai, ОАЕ, 2011. World Congress of Epidemiology, Edinburgh, Шотландия, 2011.
Публикации Материал диссертации опубликован в работах в международных и отечественных научных журналах и сборниках, из них 32 статьи по теме диссертации (в том числе 20 в журналах списка ВАК).
Личный вклад автора Все результаты, представленные в работе, получены при непосредственном участии автора в период с 2002 по 2011 год. При постановке проблемы диссертационного исследования, формулировке целей и задач участие автора было определяющим.
Автор участвовал в планировании и проведении экспедиций по сбору популяционных коллекций образцов, руководил генотипированием, лично проводил сбор литературных данных,создание баз данных, филогенетический анализ, интерпретацию и описание результатов. Большинство публикаций, приведенных в списке работ по теме диссертации, написаны лично автором.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационного исследования внедрены в научно-педагогическую практику Биологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (Москва, Ленинские горы, д.1, стр.
12), Государственном университете «Московский физико-технический институт» (Московская область, г. Долгопрудный, Институтский переулок, 9).
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, описания материалов и методов, четырех глав, посвященных изучаемым генам с обзором литературы, описанием экспериментальных результатов и обсуждением для каждого гена, заключения, выводов и списка литературы. Материал диссертации изложен на _ страницах машинописного текста, включая _ рисунков и _таблиц. Список литературы содержит работ, из них _ на иностранных языках.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Материалом для экспериментального исследования послужили биологические образцы неродственных индивидов, представляющих различные популяции России и других стран Евразии (табл. 1). Образцы были собраны в период 2001-2010 г под руководством или с участием автора. Сбор образцов проводился с соблюдением процедуры информированного согласия под контролем этической комиссии ИОГен РАН.
Для индивидов, представляющих российские популяции, собиралась информация об этнической принадлежности предков двух поколений. Исследованные популяции представлены в разделах, описывающих экспериментальные результаты. Ряд популяционных коллекций биологических образцов или ДНК был предоставлен для исследования Е.И.Рогаевым (туркмены, москвичи), Э.К.Хуснутдиновой (татары, удмурты Пургинского р-на), В.А.Степановым (нивхи, удэгейцы, нанайцы, буряты агинские и курумканские), А.Р. Максимовым (калмыки), С. И. Куцевым (русские Ростовской обл).
Сбор образцов, представляющих население арабских стран (студенты РУДН), проводился совместно с В.А.Кошечкиным под контролем этического комитета РУДН. Образцы для исследования ассоциации генотипов по гену LCT с минеральной плотностью кости (МПК) были предоставлены В.Н. Петриным и С.Д. Арутюновым (МГМСУ), образцы ВИЧ инфицированных пациентов - М.М. Гараевым (НИИ вирусологии), образцы для исследования влияния генов метаболизма алкоголя на потребление алкоголя и индивидуальные характеристики потребления алкоголя - Д. Леоном (ЛШГТМ).
Протоколы исследования были утверждены этическими комитетами организаций, предоставивших образцы, либо этическим комитетом ИОГен РАН.
Табл.1. Общее количество проанализированных образцов Название гена Кол-во Кол-во образцов в Кол-во образцов Всего образцов популяций популяционных в исследовании прогеноти коллекциях ассоциации с пировано фенотипами 16 1103 APOE 18 1189 270 LCT 7 566 77 CCR 14 699 ALDH 27 1722 642 ADH1B Выделение ДНК из образцов венозной крови проводилось фенол-хлороформным методом либо с помощью коммерческих наборов DNAPrep (Изоген, Москва) или QIAamp DNA Blood Mini Kit (QIAgen, Нидерланды-Германия). ДНК из образцов крови ВИЧ инфицированных выделяли и в лаборатории биотехнологии НИИ вирусологии РАМН, оборудованной для работы с инфицированными образцами. Концентрация ДНК определялась спектрофотометрически. Генотипирование проводилось с помощью методов ПЦР-ПДРФ для гена АРОЕ как описано в статье [Боринская и др., 2007], ПЦР «в реальном времени» для гена LCT [Боринская и др., 2006], ПЦР для CCR5del32 [Сломинский и др., 1997], методом дуплексной четырехпраймерной ПЦР для генов ADH1B и ALDH [Tamakoshi et al., 2003]. Определение генотипов индивидов по STR-локусам проводилось с помощью набора PowerPlex (Promega) в сотрудничестве с ЭКЦ МВД (А.А. Рыбакова).
Сбор и анализ опубликованных данных описан для каждого гена в разделе «Результаты и обсуждение».
"Этнографический атлас" Дж.П. Мёрдока (далее – «Атлас») был использован в качестве источника описаний факторов среды. «Атлас» содержит описания этнических групп мира, преимущественно доиндустриальных обществ, по состоянию на вторую половину XIX – начало XX века. Описания даны по более чем этнографическим характеристикам, представленным в виде формализованных (кодированных) переменных, что позволяет проводить статистическую обработку данных.
«Атлас» был опубликован в виде серии статей в журнале Ethnology в период с 1960 по 1973 гг.,и дополнен описаниями народов России с участием автора [Korotayev, Kazankov, Borinskaya, Khaltourina, Bondarenko, Ethnology, 2004]. «Атлас» ранее использовался в популяционно-генетических исследованиях, но лишь как компендиум сведений о языковой принадлежности или экологической классификации среды [Guglielmino et al., 1995] либо наличии или отсутствии отдельного признака (например, молочного животноводства [Bersaglieri et al., 2004]). Насколько нам известно, количественные характеристики, представленные в "Этнографическом атласе", ранее для корреляционного анализа с генетическими данными не использовались.
Для оценки статистической значимости выявленных корреляций между частотами аллелей и средовыми факторами использовали критерии Пирсона или Спирмана (двусторонний тест). Поправку на множественное тестирование делали по Бонферрони если не указано иначе. Статистическую значимость частотных различий оценивали с использованием критерия хи-квадрат либо двустороннего точного критерия Фишера.
Анализ внутрипопуляционной дифференциации по нейтральным STR-маркерам проводили с использованием точного теста Фишера в программе «Статистика» 6.0. Мета анализ проводили с использованием свободно распространяемой компьютерной программы для эпидемиологов WinPepi v. 10 (2010). Программа позволяет оценить среднее значение OR согласно модели с фиксированными эффектами (оценка Мантеля– Хензеля) и модели со случайными эффектами (оценка по DerSimonian-Laird). Выбор между моделями производится на основе анализа гетерогенности совокупности данных (Q-тест Кохрена).
Множественное выравнивание аминокислотных последовательностей гена APOE различных видов млекопитающих проводили с помощью программы ClustalX (http://www.ebi.ac.uk/). При реконструкции предковой последовательности гена APOE приматов в качестве внешней группы (outgroup) была использована последовательность гена тупайи (Tupaia glis). Наиболее вероятная предковая последовательность для приматов была реконструирована с помощью программы PHYLIP 4.0 (Felsenstein J., PHYLIP (Phylogenetic Inference package), Version 4.0). Филогенетическое древо было построено с использованием программы DAMBE [Xia, X., and Z. Xie. 2001. DAMBE:
Software package for data analysis in molecular biology and evolution. J. Hered. 92:371-373].
Соотношение Ka/Ks для каждой ветви рассчитывали по методу Li, 1993 [Li, W.-H.
Unbiased estimation of the rates sof synonymous and nonsynonimous substitution. J.Mol.Evol.
36, 96-99, 1993], используя калькулятор [Zhang Z, Li J, Zhao XQ, Wang J, Wong GK, Yu J: KaKs Calculator: Calculating Ka and Ks through model selection and model averaging.Genomics Proteomics Bioinformatics 2006, 4:259-263]. Расчет индекса ускорения при анализе накопления аминокислотных замен в белке APOE приведен в описании результатов.
Определение минеральной плотности кости (МПК) проводили врачи МГСМУ (А.Н.Сафонова под руководством С.А.Арутюнова, при участии автора данной работы в планировании эксперимента и обработке результатов) с использованием рентгеновской двухфотонной абсорбциометрии дистального отдела предплечья при помощи аппарата денситометра DTX 200 DXA BONE [Osteometer, Дания–США].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Для исследования были выбраны гены, отвечающие следующим требованиям: 1) показана ассоциация с важными для здоровья признаками;
2) известны частоты аллелей для большого количества популяций;
3) установлены значительные межпопуляционные различия по частотам аллелей этих генов;
4) имеются указания на то, что различия частот аллелей обусловлены действием отбора. Среди проанализированных генов этим требованиям отвечали следующие гены: аполипопротеина Е APOE, лактазы LCT, хемокинового рецептора CCR5, алкогольдегидрогеназы ADH1B, альдегиддегирогеназы ALDH2. В нижеследующих разделах дана краткая характеристика каждого из этих генов и описаны ход исследования и полученные результаты в соответствии с поставленными задачами.
1. Ген аполипопротеина Е APOE (19q13.2), полиморфизмы Cys112Arg (rs429358) и Arg158Cys (rs7412) 1.1. Определение частот генотипов и аллелей в популяциях России и др. стран Евразии Белок аполипопротеин Е (АРОЕ) играет ключевую роль метаболизме липопротеинов плазмы крови и транспорте липидов в тканях, регуляции уровня холестерина [Mahley, Rall, 2000;
Wellington, 2004]. Ген APOE полиморфен и имеет три общераспространенных аллеля, отличающихся аминокислотами в позициях 112 и зрелого белка. Предковая форма (аллель 4) кодирует белок с Arg112, Arg158, именно эти аминокислоты выявлены в соответствующих позициях у высших приматов и других исследованных животных.
Аллелю 3 соответствует замена в позиции 112 аргинина на цистеин, давая сочетание Cys112, Arg158. Эволюционно наиболее «молодой» аллель 2 детерминирует Cys112, Cys158.
Носители генотипа 4/4 имеют более высокий уровень общего холестерина и ЛПНП по отношению к носителям других генотипов, а носители 2/2 - самый низкий, хотя в отдельных этнических группах последнее соотношение может варьировать [Bennet et al., 2007]. Аллель 4 является фактором риска болезней сердечно-сосудистой системы, болезни Альцгеймера, ассоциирован с ухудшенным восстановлением после травм головы, инсульта, церебральных кровоизлияний [Bennet et al., 2007;
Воевода и др., 2006;
Corder et al., 1993;
Рогаев, 1999]. Однако у бушменов и некоторых других народов Африки этот аллель не является фактором риска, что предположительно связано и с их генетическими особенностями и/или с иными условиями жизни. Это послужило основанием для предположения, что аллель является «экономичным» («thrifty») аллелем [Corbo, Scacchi, 1999]. К началу данного исследования ген APOE был одним из наиболее интенсивно изучаемых генов человека (в настоящее время – более 16000 статей в базе данных PubMed), частоты его были известны более чем для 200 популяций мира. Однако лишь для немногих российских популяций были установлены частоты аллелей гена APOE [Скобелева и др., 1997;
Коровайцева и др., 2001;
Мустафина и др., 2001]. Нами установлены генотипы 1103 индивидов из 16 популяций, представляющих 12 этнических групп России и сопредельных стран. Для всех исследованных групп распределение частот генотипов соответствует равновесному по Харди-Вайнбергу. Полученные результаты сопоставлены с опубликованными данными (табл. 2). Установленные нами частоты близки к опубликованным данным для тех же или близких популяций за исключением марийцев (частота аллеля 4 -14.9% в нашем исследовании и 6.5% в исследовании [Мустафина и др., 2001]), что может объясняться различием в локализации исследованных групп и относительно небольшим размером изученных выборок.
1.2. Характеристика географического распределения частот аллелей гена APOE в популяциях мира Географическое распределение частоты аллеля 4 было известно к началу данной работы лишь для Европы [Gerdes et al., 1992;
Corbo et al., 1995;
Lucotte et al., 1997;
Mastana et al., 1998;
Corbo, Scacchi, 1999;
Schiel et al., 2000] и характеризовалось увеличением частоты аллеля с юга на север, то есть распределение частоты являлось широтным.
Широтное распределение частот аллелей интерпретируется как отражение адаптации к климатическим факторам [Cavalli-Sforza et al., 1994]. Известное к началу работы широтное распределение частот аллеля е4 в Европе могло быть частью картины такого распределения во всем мире либо отражением направлений основных потоков миграций с Юго-Востока на Северо-Запад. Для проверки справедливости гипотезы о широтном распределении аллеля е4 не только в Европе, но и других регионах мира, мы собрали информацию частотах е4 и других аллелей APOE в популяциях мира, для которых были доступны данные о географической локализации. Поиск проводился в базе данных по Табл. 2. Частоты аллелей гена APOE в популяциях России и сопредельных стран Частоты аллелей APOE Популяция Регион Литература N 2 3 Арктика и Субарктика Чукчи Чукотский АО Собственные данные 89 0.034 0.764 0. Чукчи и эскимосы Чукотский АО Воевода и др., 135 0 0.83 0. Эскимосы Канада 175 0.010 0.760 0.230 Hegele et al., Аборигены Аляски Аляска 127 0.020 0.787 0.193 Scheer et al., Ханты и манси Зап. Сибирь Воевода и др., 36 0.03 0.78 0. Саамы Финляндия 70 0.050 0.640 0.310 Lehtinen et al., Саамы Кольский п-ов Собственные данные 56 0.080 0.714 0. Коми-ижемцы Ижемский район Собственные данные 66 0.045 0.735 0. Республики Коми Волго-уральский регион Коми-зыряне южные районы Собственные данные 50 0.10 0.77 0. Республики Коми Коми Мустафина и др., 75 0.066 0.760 0. Удмурты Мустафина и др., 45 0.044 0.766 0. Удмурты Игринский р-н Собственные данные 62 0.089 0.750 0. Удмуртской республики Коми-пермяки Пермь Собственные данные 59 0.068 0.788 0. Мордва Мустафина и др., 45 0.055 0.844 0. Мари Мустафина и др., 38 0.075 0.855 0. Мари горные Мари Эл Собственные данные 47 0.117 0.734 0. Чуваши Мустафина и др., 63 0.063 0.785 0. Татары Мустафина и др., 51 0.068 0.862 0. Башкиры Мустафина и др., 189 0.057 0.836 0. Сибирь и Средняя Азия Эвенки Сибирь 124 0.004 0.843 0.153 Kamboh et al., Эвенки пос. Ванавара, Эвенкия Собственные данные 41 0.037 0.841 0. Якуты сельские районы Якутии Григорьева, 152 0.053 0.875 0. Якуты Якутия 101 0.099 0.757 0.144 Parfenov et al., Шорцы Горная Шория Воевода и др., 2006;
170 0.071 0.735 0. Хакасы Хакасия Воевода и др., 141 0.07 0.79 0. Алтайцы Сев.Алтай Воевода и др., 57 0.07 0.87 0. Буряты Улан-Удэнский р-н Собственные данные 52 0.048 0.788 0. Республики Бурятия Буряты Вост. Монголия 125 0.032 0.804 0.164 Tsunoda et al., Казахи Алма-Ата, Казахстан Байтасова и др., 112 0.040 0.826 0. Уйгуры Алма-Ата, Казахстан, Байтасова и др., 93 0.059 0.871 0. Горцы Памира Московская диаспора, Собственные данные 34 0 0.956 0. уроженцы Горно Бадахшанской АО Иранцы Уроженцы различных Собственные данные 40 0.050 0.875 0. регионов Ирана Иранцы Иран, Тегеран 129 0.027 0.911 0.062 Raygani et al., Иранцы Иран, Керманшах 135 0.041 0.926 0.033 Kharrazi et al., 2005.
Восточнославянские группы разных регионов Русские Новосибирск Воевода и др, 603 0.068 0.813 0. Русские Кострома Собственные данные 79 0.133 0.728 0. Русские Санкт-Петербург Скобелева и др., 403 0.108 0.773 0. Русские Москва Коровайцева и др., 205 0.080 0.800 0. Москвичи Москва Собственные данные 95 0.100 0.795 0. Русские Башкирия Мустафина и др., 78 0.103 0.782 0. Русские Краснодар Собственные данные 56 0.093 0.824 0. Русские Ростов и Ростовский р-н Собственные данные 98 0.051 0.857 0. Украинцы Восточная Украина Собственные данные 96 0.135 0.771 0. Белорусы Разл. районы Белоруссии Собственные данные 110 0.114 0.795 0. ключевым словам Apolipoprotein E, APOE в сочетании с allele, genotype, polymorphism.
Найденные статьи были дополнены сведениями из базы данных ALFRED, ссылками из обзоров по различным тематикам, связанным с аллелями гена APOE. Русскоязычные статьи были найдены в профильных русскоязычных журналах и по запросам авторам.
Всего были отобраны данные для 298 популяций из 167 публикаций (по состоянию на 2009 г.). Из дальнейшего исследования были исключены выборки, представляющие некоренное население (русские Сибири, европеоиды ЮАР, Австралии и т.п.) или смешанное население, а также выборки численностью менее 30 человек.
Для анализа географического распределения частот аллелей гена APOE из собранных данных были отобраны 175 популяций, представляющие автохтонное население.
Распределение частот аллелей гена APOE относительно широты приведено на рис. 1А.
Результаты проведенного анализа показывают, что частоты аллелей 3 и 4 в исследованных популяциях имеют широтное распределение не только в Европе, но и в других Частях Света. Частоты аллеля 4 варьируют от 2-3% в некоторых популяциях Северной Африки, Индии и Бразилии до 40% у охотников-собирателей Африки и Ю.Америки. Диапазон вариаций частот аллеля 3 составил от 50% до 98%. Аллель отсутствует в некоторых популяциях, достигая частоты более 30% у эве и мосси в Западной Африке. Для аллеля 2 закономерности географического распределения не выявлены. Коэффициенты корреляции между частотами аллелей составили R=0.720 для 4 и 3, R=0.459 для 2 и 3 (p0.0001 в обоих случаях), корреляция между частотами и 4 незначима.
Так как проведенный анализ показал, что все выявленные корреляции частот аллелей со всеми проверенными средовыми показателями (см ниже) сильнее для аллеля 4, чем для аллеля 3 (данные не приведены), что соответствует результатам [Eisenberg et al., 2010] по корреляции частот этих аллелей с широтой и средними температурными показателями;
дальнейшие результаты приводятся только для аллеля 4.
Более детальный анализ показывает, что частота аллеля 4 минимальна (менее 5%) в популяциях, проживающих на широте от 13 до 38 град. с.ш. для Старого Света (близ Северного Тропика) (рис. 1А), тогда как для популяций Америки – от 13 до 25 град. ю.ш.
Эта особенность игнорируется в работе [Eisenberg et al., 2010], в которой со ссылкой на нашу гипотезу об участие аллелей гена APOE в адаптации к климату исследованы корреляции частот аллелей с широтой и различными температурными показателями. При построении графиков и анализе корреляций Эйзенберг с соавт. использовали абсолютную широту, «перегнув» график по экватору (рис. 1Б) и не проводя детального анализа особенностей распределения аллелей на различных континентах. В нашей работе более детальный анализ показывает, что при таком подходе особенности распределения частоты аллелей гена APOE в популяциях, проживающих в различных широтных зонах Старого и Нового Света, остаются невыявленными.
Полученные [Eisenberg et al., 2010] результаты свидетельствуют о наличии негативной корреляции между абсолютной широтой и частотой аллеля. В работе [Eisenberg et al., 2010] проконтролировано влияние генетической структурированности популяций (отражающей сходство в результате расселения или притока генов из соседних популяций) на распределение частот аллелей гена APOE. Для этого использованы данные о 644 258 SNP для 43 популяций панели HGDP [Cann et al. 2002]. На основе этих данных рассчитаны главные компоненты. Главные компоненты были включены в регрессионную модель. Показано, что вариации в популяционных частотах аллеля 4 не отражают популяционную структуру, что свидетельствует о роли отбора в их формировании [Eisenberg et al., 2010]. Более высокая частота аллеля 4 в высоких и низких широтах, по мнению Эйзенберга с соавт., может отражать более высокие энергозатраты как в холодном, так и в жарком климате по сравнению с умеренным. Авторы проверили ассоциацию частот аллелей APOE с температурой (среднегодовая температура по данным за 30 лет, дневным и годовым перепадом температур), полагая что температура может быть более строгим предиктором частоты, так как она более тесно связана с интенсивностью метаболизма. Однако экспериментальная проверка не подтвердила это предположение – ассоциация частот аллеля 4 с широтой гораздо сильнее, чем со среднегодовой температурой [Eisenberg et al., 2010].
Географическая широта может быть кумулятивным показателем, отражающим не только температурные характеристики, но и другие особенности климата и иные факторы окружающей среды (доступные биоресурсы, тип хозяйства, эндемичные инфекции и т.д.).
Мы использовали «Атлас» как источник сведений о представленности различных видов хозяйственной деятельности и оценили корреляцию этих переменных с частотой аллеля для проверки «thrifty»-гипотезы [Corbo, Scacchi, 1999]. Из популяций, для которых известны частоты аллелей гена APOE, 77 имеют соответствия в «Атласе», из них 63 – популяции Старого Света и 14 – Америки. Популяции Америки характеризуются значительной вариацией частот аллелей в соседствующих популяциях, что может объясняться небольшим размером многих изученных выборок и/или сильным эффектом основателя в ряде популяций. Это послужило основанием для проведения дальнейшего анализа только на популяциях Старого Света.
Scatterplot (APOE_no5-6 7v*63c) apoe4 = 19,8138-0,5063*x+0,0084*x^ lat:apoe4: r = -0,1916, p = 0, apoe -40 -20 0 20 40 60 lat А Б Рис. 1. Распределение частот аллеля 4 гена APOE относительно широты проживания популяции. А – популяции Старого Света, включенные в анализ «thrifty» гипотезы (собственные данные), Б – рисунок из статьи [Eisenberg et al., 2010].
1.3. Связь частот аллелей гена APOE с типом хозяйства Гипотезу [Corbo and Scacchi, 1999] о повышенной адаптивной ценности аллеля 4 у охотников-собирателей можно проверить, показав, что частота аллеля 4 выше в группах охотников-собирателей, чем у проживающих в тех же регионах земледельцев. Однако какие именно популяции следует отнести к охотникам собирателям, при этом остается неясным – те, у которых вклад охоты-собирательства в хозяйство превышает 50%, или 15%, или выбрать какую-то иную границу. Более весомым свидетельством в пользу этой гипотезы было бы обнаружение корреляции между частотой аллеля е4 и вкладом охоты собирательства в хозяйство. Для анализа были использованы данные из «Атласа», характеризующие вклад охоты-собирательства в хозяйства для каждого общества. Эта переменная варьировала от менее 5% до более 85% в изучаемой группе обществ.
В исследованной нами выборке 63 популяций Старого Света частота аллеля позитивно коррелирует с вкладом охоты-собирательства в хозяйство (R=0.638, p0.001) (рис. 2).
Интенсивность охоты-собирательства варьирует в зависимости от широты, и достигает максимума в высоких широтах, где земледелие невозможно, т.е. именно в тех регионах, в которых частота аллеля е4 высока. Поэтому корреляция частоты аллеля может быть просто отражением корреляции обоих параметров с широтой. Мы более детально исследовали корреляции частоты аллеля 4 с теми же независимыми переменными в северной (севернее 22о с.ш.) и южной подгруппах. В табл. 3 представлены результаты регрессионного анализа модели 4 ~ охота-собирательство + широта + климатическиe факторы (температура, влажность) В табл. 3 представлены значимые предикторы, отобранные алгоритмом с пошаговым включением факторов. Приведены также приращения коэффициента детерминации (R2), соответствующие каждому предиктору. R2 интерпретируется как доля изменчивости зависимого признака, обусловленная изменчивостью предиктора. Вклад охоты-собирательства в хозяйство объясняет большую долю изменчивости частот аллеля е4. Температурные показатели не вошли в состав значимых предикторов.
Табл. 3. Результаты регрессионного анализа связи факторов среды и частот аллеля Стд. Бета- Изменение B t P R ошибка коэффициент Все данные 40.34E- (Константа) 0.162 0. 10.35E- Охота- 0.042 0.007 0.588 60.115 0. собирательство 30.05E- Широта -0.001 0.000 -0.373 -30.876 0. Итого R 0. lat 22 (N=35) (Константа) -0.023 0.026 -0.891 0. 80.71E- Охота- 0.003 0.001 0.602 40.673 0. собирательство Широта 0.018 0.007 0.347 20.689 0.013 0. Итого R 0. lat 22 (N=28) 30.25E- (Константа) 0.166 0.018 90. Охота- 0.043 0.011 0.612 30.794 0.001 0. собирательство Итого R2 0. Результаты более детального анализа показывают, что корреляция частоты аллеля с охотой-собирательством особенно сильна в крайней южной (южнее экватора) и северной (выше 46o с.ш.) подвыборках (данные представлены в рукописи диссертации). Можно полагать, что внутри широтной зоны, в которой уже установлен соответствующий ей диапазон частота аллеля, действуют средовые факторы, модулирующие аллельные частоты. И охота-собирательство оказывается таким фактором. Однако какие именно параметры влияют на адаптивную ценность аллелей 4 и 3 – особенности диеты, уровень физической активности, уровень энергозатрат или иные, остается неизвестным и это может быть предметом дальнейших исследований. Полученные результаты могут быть причиной выявленного Эйзенбергом с соавт. эффекта: более сильной корреляции частот аллеля 4 с широтой, а не со среднегодовой температурой, так как общества могут отличаться по вкладу охоты-собирательства.
Таким образом, при исследовании популяций Старого Света показано, что в обществах с высоким вкладом охоты-собирательства в хозяйство высока частота предкового аллеля 4, тогда как в обществах с производящим хозяйством доля его носителей ниже.
Согласно результатам исследования гаплотипов, все три аллеля гена APOE появились в популяциях человека не менее 200 000 лет назад [Fullerton et al., 2000]. Однако предковая для человека форма 4, обладающая сродством к липидам низкой плотности, отличается по этой характеристике от белка APOE приматов, который предпочтительно связывает липиды высокой плотности и функционально сходен в этом отношении с вариантом человека. Эти различия обусловлены заменой аминокислоты в позиции 61, в которой у всех приматов находится треонин, а у человека – аргинин [Dong, Weisgraber, 1996;
Mahley, Rall, 2000]. Появление положительного заряда в этой позиции ведет к изменению взаимодействия доменов аполипопротеина Е, что влечет за собой изменение в сродстве к разным типам липидов. Удаление позитивного заряда в позиции 112 (замена Arg-Cys, ведущая к появлению аллеля 3) может рассматриваться как компенсаторная замена при наличии слабовредной мутации Thr61-Arg [Enard, 2012]. С другой стороны, сохранение в популяциях человека на протяжении более 200 000 лет аллеля 4, представленного у охотников-собирателей с частотой до 40%, указывает, что этот аллель может быть адаптивен или по крайне мере нейтрален (но не вреден) в определенных условиях внешней среды. Дополнительные данные для анализа этих аспектов могут быть получены при рассмотрении эволюции гена APOE у приматов.
Scatterplot (APOE_no5-6 7v*63c) 40% apoe4 = 12,0239+5,964*x Бушмены Конго 40 HG_4:apoe4: r = 0,7237, p = 0,0000 ПапуаНГ Мерина Меланезийцы 30% apoe Зулусы 20% Яванцы Мерина (Мадагаскар) Вклад охоты-собирательства Вклад охоты-собирательства 10% -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4, 5% 25% 35% 45% 55% 65% HG_ Вклад охоты-собирательства в хозяйство A. Б.
Рис. 2. Распределение частот аллеля 4 в зависимости от уровня вклада охоты собирательства в хозяйство в популяциях Старого Света По вертикальной оси указаны частоты аллеля 4. А – для 68 популяций Старого Света;
Б – для подгруппы 7 популяций, проживающих южнее экватора (черные – Африка, лиловые – Океания). Для ПапуаНГ (Новая Гвинея) невозможно установить точное соответствие изученной популяции этническим группам, поэтому показан интервал значений переменной «охота-собирательство» для нескольких народов, представленных в «Этнографическом атласе».
1.4. Особенности эволюции аполипопротеина E у приматов и других млекопитающих Белок АРОЕ синтезируется в виде препептида, состоящего из 18 аминокислотных остатков сигнального пептида и 299 аминокислотных остатков, соответствующих зрелому белку. Зрелый белок имеет два домена, связанных относительно неструктурированным сегментом, чувствительным к протеазе. N-домен содержит участок распознавания рецепторов липопротеинов, а C-домен - участок связывания липидов [Narayanaswami et al., 2004]. Известно, что домены белков могут эволюционировать независимо друг от друга. Поэтому сравнение проводилось как по белку в целом, так и по его доменам. Для этого аминокислотные последовательности белка APOE, полученные на основе нуклеотидных последовательностей выших приматов (идентификационные номера в GenBank для шимпанзе, гориллы, орангутана и гиббона - AF200499, AF200502, AF и AF200508), а также низших приматов и тупайи, были выровнены и затем, как описано в «Методах и материалах», были установлены аминокислотные замены в каждой линии приматов. У всех изученных приматов включая человека белок APOE содержит одинаковое количество аминокислотных остатков - 18 в сигнальном пептиде (кодирующие участки для которого у всех приматов идентичны) и 299 в зрелом белке. В 900 п.н. последовательности, кодирующей зрелый белок, нами найдено 65 различий у приматов. Все они представляют однонуклеотидные замены, из которых 30 – несинонимичных (ведущих к замене аминокислоты). Замены аминокислоты в различных ветвях филогенетического древа приматов представлены на рис. 3. Отличительной особенностью эволюции белка APOE человека является то, что все шесть аминокислотных замен, возникших в ветви человека (из которых четыре фиксированы, а две полиморфны) локализованы в альфа-спиральных участках N-домена (рис. 3А). У других высших приматов в этих участках имеется только по одной замене у шимпанзе, гориллы и гиббона и ни одной у орангутана. У макаки большинство замен локализовано в С-домене либо неспирализованных участках N-домена (рис. 3А, B). Результаты анализа показывают существование различий в эволюции доменов белка APOE у высших и низших приматов (табл. 4). Для того, чтобы проверить, претерпевал ли ген APOE ускоренную или замедленную эволюцию у человека или других приматов, мы рассчитали индекс ускорения (Acceleration Index, A.I.) по [Zhang et al., 2002]. Вычисление индекса ускорения основано на предположении, что если скорость эволюции белка не меняется, то соотношение числа замен в линии человека после отделения от шимпанзе и в линии вида, внешнего по отношению к группе, будет соответствовать соотношению временной протяженности соответствующих линий. При расчете индекса ускорения для целого белка эффект нивелируется, так как у мыши быстрее относительно приматов эволюционирует C-домен. Это согласуется с данными [Zhang et al., 2002], который при расчетах для целого белка, также используя мышь как вид, внешний по отношению к группе (outgroup), не обнаружил ускорения эволюции APOE. Следует отметить, что среди проверенных таким образом 120 белков N-домен APOE имеет самый большой индекс ускорения (A.I. = 4.96) после FOXP2 и PRM2 [Zhang et al., 2002]. Эволюция всего белка APOE как ускоренная оценена в работе [Kitano et al., 2004]. Однако авторы указанного исследования использовали орангутана как вид, внешний по отношению к исследуемой группе.
Имеющуюся у шимпанзе и орангутана замены 5:Ala=Val Kitano et al. интерпретировали ее как замену 5:Val=Ala у человека. При этом у человека засчитывается на 1 замену больше.
Табл.4. Индекс ускорения (A.I.) эволюции доменов APOE для приматов с использованием мыши как вида, внешнего от отношению к группе N-домен (1-191) C-домен (192-299) Вид tp tm N m A.I. P n M A.I. P Человек 5.5 174.5 5 32 0 41 0 0. 4.96 0. Шимпанзе 5.5 174.5 3 32 2.97 0.103 1 41 0.77 0. Горилла 7.3 172.7 2 32 1.48 0.403 1 41 0.58 0. Орангутан 14 166 0 32 0 0.076 2 41 0.58 0. Гиббон 18 162 1 30 0.30 0.962 2 41 0.44 0. Макака 25 155 4 27 0.92 0.642 6 41 0.90 0. Чтобы проверить, не является ли ускоренное накопление аминокислотных замен в N домене белка APOE результатом повышенной скорости мутирования у человека GС богатого гена APOE, мы сравнили соотношение смысловых и синонимичных замен в гене человека, шимпанзе и мыши (данные приведены в рукописи диссертации). Скорость мутирования кодирующих участков гена APOE в линии человека не повышена – она не отличается от таковой в линии шимпанзе и не превышает таковой в линии мыши для обоих доменов белка APOE. Одним из стандартных критериев для выявления действия отбора является соотношение смысловых (аминокислотных) и синонимических замен Ka/Ks, рассчитываемое с учетом вырожденности генетического кода. У человека Ka/Ks=1.3 для N-домена гена APOE, у шимпанзе и гориллы – 0.53 и 0.57 соответственно.
А C 18: Ala-Thr B 61: Thr-Arg 112: Arg-Cys 135: Ala-Val 158: Arg-Cys 174: Val-Leu Human 5: Ala-Val Chimpanzee 32: Arg-His 15: Arg-His 287: Val-Met Gorilla 116: Val-Ala 5: Ala-Val Orangutan 198: Leu-Val 201: Gln-Lys 25: Pro-Arg D 75: Lys-Arg 221: Met-Val 223: Ser-Gly Gibbon 8: Pro-Thr 83: Ser-Thr 113: Ser-Gly 5: Ala-Pro 120: Ser-Gly 20 Leu-Gly 54: Ser-Pro 62: Ala-Thr 200: Gly-Ser 210: Trp-Leu 251: Arg-Ser Macaque 289: Thr-Ala 291: Ala-Thr 296 Ser-Ile Рис. 3. Аминокислотные замены в аполипопротеине Е в линиях приматов А. Структура аполипопротеина E человека.
Прямоугольниками указаны альфа-спирали: спираль 1 (позиции 24-42), спираль 1' (44-53), спираль 2 (54 81), спираль 3 (87-122), спираль 4 (130-164) в N-домене (1-191 по [Weisgraber, 1994 и Dong et al., 1994]) и две спирали в C-домене (203-299 согласно [Segrest et al., 1992;
Choy et al., 2004]. Пунктирной линией указаны остатки 165-179, которые структурируются при связывании липидов [Naraynaswami et al., 2004].
Голубым цветом тонированы участки связывания рецептора (136-150) и липидов (244-272). Красные треугольники указывают позиции аминокислотных замен, возникших в ветви человека (незакрашеные – полиморфные позиции 112 и 158). Розовые треугольники указывают замены, возникшие в стволе высших приматов до отделения ветви человека. Зелеными треугольниками указано положение аминокислотных замен в стволе низших приматов после отделения от высших приматов и ветви макаки. Замена в позиции 10 с неоднозначным положением на филогенетическом древе не представлена. B. Положение аминокислотных замен на филогенетическом древе приматов. Полиморфные позиции у человека подчеркнуты. C. Положение аминокислотных замен на 3D структуре белка APOE. Замены, возникшие в линии человека, указаны красным, в линии макаки - зеленым. D. Позиции 61, 112 и 174 на 3D-модели белка (модель из статьи [Chen et al., 12011]).
Это является еще одним свидетельством в пользу различий в действии отбора в линии человека и других приматов. Специфичные для человека замены аминокислот в позициях 18 и 135 возникли в вариабельных участках белка, которые могут быть не очень существенными для функций АРОЕ. Замены в позициях 61, 112 и 174 возникли в консервативных участках. О первых двух известно, что они меняют внутримолекулярные взаимодействия в белке и его сродство к липидам. Третья замена может стабилизировать третичную структуру белка (рис. 3D). В пользу адаптивности замен в позициях 112 и свидетельствует выявленное нами совпадение замен по этим же позициям у сумчатых (опоссум и морской дьявол), у которых так же как и у человека треонин в позиции заменен на аргинин, тогда как у всех других исследованных к настоящему времени млекопитающих треонин в данном положении консервативен. То, что сочетание замен в тех же трех позициях встречается не только у человека, но и у представителей столь отдаленных видов, свидетельствует в пользу неслучайности этого сочетания даже с учетом того, что все эти замены возникли в результате мутаций по "горячим точкам" динуклеотиду CpG. Замена Arg-158 =Cys произошла по абсолютно консервативной у млекопитающих позиции и уникальна для человека. Замена Thr61Arg может быть как случайной слабовредной заменой, так и адаптивной. У сумчатых отсутствует бурый жир, поэтому изменение метаболизма липидов может быть важно для терморегуляции.
Выявленное нами сходство показывает, что исследование функций APOE у лабораторных опоссумов может способствовать пониманию функциональных особенностей APOE человека. В целом полученные нами результаты свидетельствуют об адаптивной эволюции N-домена белка APOE человека в процессе антропогенеза.
2. Ген лактазы LCT (2q21), полиморфизм -13910C/T (rs4988235) Фермент лактаза, расщепляющий молочных сахар лактозу, продуцируется в кишечнике детенышей всех млекопитающих, обеспечивая возможность усвоения цельного молока, в котором лактоза обеспечивает до 30% энергетической стоимости молока. При пониженной продукции лактазы (гиполактазия) потребление цельного молока ведет к развитию неприятных симптомов (метеоризму, диарее и др.). У всех здоровых новорожденных лактаза вырабатывается в больших количествах, но уже к концу первого года жизни у части индивидов продукция фермента снижается в 2-4 раза [Auricchio et al., 1965]. Присущий данному индивиду уровень выработки фермента формируется между вторым и 20-21 годом жизни [Scrimshaw, Murray, 1988], однако возрастная динамика этого процесса изучена недостаточно. Аллель Т полиморфизма 13910C/T в регуляторном участке гена лактазы LCT детерминирует персистенцию лактазы во взрослом возрасте, тогда как у носителей генотипа C/C происходит возрастное снижение активности лактазы [Enattah et al., 2002]. Генетически обусловленное снижение продукции лактазы с возрастом называют первичной гиполактазией в отличие от вторичной, при которой временное или постоянное снижение активности фермента происходит вследствие перенесенных заболеваний. Частота первичной гиполактазии в различных регионах мира варьирует от 1-3% у народов северо-запада Европы до 70% на юге Европы. У коренного населения Америки и Океании гиполактазия 100%, тогда как в некоторых популяциях Африки и Азии распространены другие аллели, детерминирующие персистенцию лактазы у взрослых. Недостаточность лактазы ассоциирована с рядом важных для здоровья признаков. В ряде исследований выявлена ассоциация со снижением минеральной плотности кости (МПК), тогда как другие авторы не подтвердили эту ассоциацию, получив противоречивые данные [Enattah et al., 2004, 2005;
Gugatschka et al., 2007;
Lomer et al., 2008;
Kull et al., 2008;
Smith et al., 2009]. В российских популяциях к началу нашего исследования были известны частоты фенотипа гиполактазии [Козлов и др., 1998], однако какой именно аллель детерминирует этот признак, не было известно, и исследования ассоциации полиморфизма LCT-13910C/T с показателями МПК и другими важными для здоровья характеристиками не проводились.
2.1. Определение частот генотипов и аллелей по полиморфизму LCT*-13910C/T и их ассоциации с гиполактазией в популяциях России и других стран Евразии.
У 12 взрослых добровольцев (уроженцев европейской части России) по результатам измерения уровня глюкозы крови после нагрузки лактозой определен лактазный статус.
Гиполактазия диагностирована у 7 из 12 испытуемых. У всех этих 7 испытуемых установлен генотип C/C по полиморфизму LCT*C/T-13910. Остальные 5 испытуемых, у которых выявлен высокий уровень активности лактазы, оказались гетерозиготами C/T.
Таким образом, данные о генетическом контроле гиполактазии, полученные на финской выборке (Enattah et al., 2002), подтверждены нами на исследованной небольшой российской группе: генотип С/С полиморфизма LCT*C/T-13910 полностью ассоциирован с гиполактазией (7 из 7 случаев), а аллель Т проявляется как доминантный, обуславливая персистенцию лактазы.
Частоты генотипов и аллелей по полиморфизму LCT*C/T-13910 установлены для 1189 индивидов из 18 популяций, представляющих 14 этнических групп (Табл. 5).
Распределение частот генотипов соответствует теоретически ожидаемому равновесному распределению Харди-Вайнберга во всех группах, кроме горцев Памира, для которых отклонение может объясняться небольшим размером выборки.
Из 14 этнических групп, для которых нами были установлены частоты генотипов, были исследованы также другими авторами. В 4 случаях (русские, арабы, иранцы, удмурты) из 6 различия между установленными нами частотами и опубликованными другими авторами для соответствующих групп не достигают статистической значимости.
Для двух групп (коми и саамов) различия значимы. Для группы коми-пермяков нами установлена частота генотипа C/C 0.42 (95% СI 0.36—0.46), тогда как в работе (Ennatah et al., 2007) для небольшой выборки коми указана частот данного генотипа 0.70 (95% СI 0.59-0.86), при этом какая именно группа коми была исследована – не указано. Согласно ранее опубликованным данным по фенотипам гиполактазии, различные подгруппы коми могут отличаться по частоте этого признака (коми-пермяки - 50%, коми-ижемцы – 63% [Kozlov, 1995]. Поэтому указанные различия вполне объяснимы, если исследованы разные группы коми. Аналогичная ситуация с саамами. Частота гиполактазии у саамов-сколтов (60%), у инари-саамов (25%) [Kozlov, 1995]. Поэтому и в этом случае расхождения частот генотипа C/C объяснимы, так как в данной работе и в работе (Enattah et al., 2007) исследованы разные подгруппы саамов.
Мы сопоставили частоты генотипа C/C по полиморфизму LCT*C/T-13910, установленные нами, с данными о частотах фенотипа гиполактазии в аналогичных или наиболее близких к изученным выборкам, полученными ранее на основе клинико биохимической диагностики гиполактазии (рис. 4). Установленные нами частоты генотипа C/С весьма близки к частотам гиполактазии, установленным разными авторами на основе данных клинико-лабораторного анализа как тех же групп, которые изучены нами, так и для соседствующих с ними групп иной этнической принадлежности.
В изученных нами славянских группах частота генотипа C/C варьирует от 36% - 40% в популяциях северных русских, украинцев и белорусов до 50% и более у русских южных регионов, Поволжья и Сибири. Это соответствует частотам гиполактазии в соответствующих этнорегиональных группах. Частота генотипа C/C у кольских саамов (48%) (образцы собраны в Ловозерском р-не в 2006 г.) идентична опубликованной частоте гиполактазии у кольских саамов [Козлов, 1998;
Kozlov, Lisitsyn, 1996]. В исследованных популяциях Волго-Уральского региона (удмурты, коми-пермяки, марийцы) частота генотипа C/C также соответствует установленной ранее частоте гиполактазии. Интересно отметить, что по распространенности гиполактазии марийцы резко отличаются от других популяций, населяющих Центральное Поволжье и Приуралье – удмуртов (59%), коми пермяков (50%) и мордвы (52%). У марийцев гораздо выше доля индивидов, имеющих фенотип гиполактазии: 83% среди луговых, и 79% - среди горных марийцев (Тамм и др., 1987). Установленная нами частота генотипа C/C у марийцев (74%) также существенно превышает частоты этого генотипа у коми-пермяков (42%) и удмуртов (55%), что полностью соответствуют опубликованным результатам фенотипических исследований.
Установленные частоты генотипа C/C в популяциях казахов, уйгуров, горцев Памира, чукчей соответствуют ожидаемым частотам гиполактакзии в населении Центральной Азии и Сибири, хотя не для всех изученных нами групп можно найти точно соответствующие группы, для которых исследованы частоты гиполактазии.
.
Табл. 5. Распределение частот генотипов и аллелей полиморфизма LCT*C/T-13910 в исследованных выборках Частота генотипов, % (N) Частота аллелей Числен Популяции ность выборки C/C CT TT C T 1. Русские 102 36.2 (37) 45.1 (46) 18.6 (19) 0.58±0.03 0.42±0.03 0. (Костромская обл) 112 53.6 (60) 38.4 (43) 8.0 (9) 0.73±0.03 0.27±0.03 0. 2. Русские (Курск) 114 53.5 (61) 40.4 (46) 6.1 (7) 0.74±0.03 0.26±0.03 0. 3. Русские (Ростов) 69 50.7 (35) 42.0 (29) 7.2 (5) 0.72+ 0.04 0.28+0.04 0. 4. Русские (Башкирия) 26 46.2 (12) 38.4 (10) 15.4 (4) 0.65+0.07 0.35+0.07 0. 5. Русские (Чукотка) 122 41.8 (51) 44.3 (54 ) 13.9 (17) 0.64+0.03 0.36+0.03 0. 6. Украинцы 101 39.6 (40 ) 44.6 (45) 15.8 (16) 0.62+0.03 0.38+0.03 0. 7. Белорусы 64 48.4 (31) 42.2 (27) 9.4 (6) 0.70+0.04 0.30+0.04 0. 8. Саамы 69 42.0 (29) 43.5 (30) 14.5 (10) 0.64+0.04 0.36+0.04 0. 9. Коми-пермяки 94 55.3 (52) 38.3 (36) 6.4 (6) 0.74+0.03 0.26+0.03 0. 10. Удмурты 53 73.6 (39) 22.6 (12) 3.8 (2) 0.85+0.03 0.15+0.03 0. 11. Марийцы горные 34 79.4 (27) 11.3 (6) 1.9 (1) 0.88+0.04 0.12+0.04 0. 12. Казахи 30 90.0 (27) 10.0 (3) 0 0.95+0.03 0.05+0.03 0. 13. Уйгуры 78 89.7 (70) 10.3 (8) 0 0.95+0.02 0.05+0.02 0. 14. Буряты 35 88.6 (31) 11.4 (4) 0 0.94±0.03 0.06±0.03 0. 15. Чукчи 34 88.2 (30) 8.8 (3) 2.9 (1) 0.93+0.03 0.07+0.03 4. 16. Горцы Памира 34 91.2 (31) 8.9 (3) 0 0.96+0.02 0.04+0.02 0. 17. Иранцы 18 83.3 (15) 16.6 (3) 0 0.92+0.05 0.08+0.05 0. 18. Арабы Частота генотипа C/C у горцев Памира (88%) близка к частоте гиполактазии в соседствующей с ними группе таджиков Афганистана (82%). Для проанализированной нами выборки казахов Казахстана частота генотипа C/C составила 79%, что соответствует опубликованным данным по частоте гиполактазии у казахов Китая (76%). Для чукчей частота гиполактазии не известна. Наиболее географически и культурно близкой к ним группой, для которой доступны данные о частоте гиполактазии, являются эскимосы. Эта частота (81%) близка к установленной нами частоте генотипа C/C у чукчей (89%).
Исключение представляет выборка бурят, для которых установленная нами частота генотипа C/C 0.89 (95% СI 0.84-0.92) значимо отличается от частоты гиполактазии 0. (95% СI 0.36-0.60) [Жвавый и др., 1991]. Причиной расхождения может быть небольшой размер фенотипированной выборки бурят (19 человек [Жвавый и др., 1991]), либо заниженная оценка частоты гиполактазии у бурят в клинико-биохимическом исследовании. В пользу последнего свидетельствует и отклонение оценки частоты гиполактазии 47% у бурят от общего географического градиента, и тот факт, что у соседних с бурятами монголов частота гиполактазии составляет 88% [Wang et al., 1984].
Тем не менее, в силу возможной генетической гетерогенности признака персистенции лактазы, нельзя исключить наличие в популяции бурят иных, кроме полиморфизма LCT *C/T-13910, генетических вариантов, определяющих синтез лактазы у взрослых. Это предположение соответствует данным о независимо появившихся мутациях в регуляторном участке гена лактазы, детерминирующих фенотип персистенции лактазы, в популяциях африканских и ближневосточных [Tishkoff et al., 2006;
Ingram et al., 2007], а также у китайцев и тибетцев [Xu et al., 2010;
Peng et al., 2012].
В 12 исследованных нами популяциях, для которых доступны данные по частоте гиполактазии, а также в 14 популяциях Евразии, исследованных другими авторами, частота клинически диагностированной гиполактазии коррелирует с частотой генотипа С/С (рис. 4). Коэффициент корреляции по выборке в целом составляет R=0.865, p0.001.
Для 15 европейских популяций, вошедших в выборку, корреляция составляет R=0.919, p0.001. Это указывает на то, что генотип C/C является основным детерминантом гиполактазии в европейских популяциях. Для 11 азиатских популяций корреляция незначима (R=0.363, p=0.302). Значительно различаются частоты генотипа С/С и гиполактазии в популяциях бурят, якутов, уйгуров. Различия между частотами генотипа С/С и гиполактазии отмечены также в популяциях Северного Китая [Sun et al., 2007]. Для заключения о генетической гомогенности или гетерогенности детерминации гиполактазии в населении Азии необходимо провести дополнительные популяционно эпидемиологические исследования для уточнения частот гиполактазии и молекулярно генетический анализ регуляторного участки гена лактазы у представителей тех выборок, в которых частота генотипа С/С превышает частоту гиполактазии.
Для 42 популяций, в которых известна частота генотипа С/С (собственные и опубликованные данные), имеются соответствия в «Атласе». Анализ корреляций с переменными, характеризующими особенности хозяйства, выявил ожидаемую позитивную корреляцию с молочным животноводством (R=0.548, p=0.0002).
Рис. 4. Корреляция между частотой генотипа С/С и 18 частотой фенотипа гиполак 1. тазии в популяциях Евразии.
21 Вертикальная ось – частота генотипа СС, горизонтальная ось – частота 0. гиполактазии. Темные квадратики популяции России. 1 – ирландцы, 2 – шведы, 3- немцы, 4 – финны, 5 украинцы, 6 – поляки, 7 – французы, 8 – 0. русские (Кострома/Московская обл.), Коэффициенты – итальянцы северные, 10 – уйгуры, 11 – корреляции:
буряты, 12 – кольские саамы, 13 – коми 11 азиатских 0. пермяки, 14 – мордва мокша, 15 – 8 14 популяций мордва эрзя, 16 – удмурты, 17 – 6 R=0.363, p=0. корейцы, 18 – казахи, 19 – марийцы, – ханты и манси, 21 – чукчи, 22 - горцы 0.2 15 европейских Памир/таджики Афганистана, 23 – популяций R=0.919, p0. иранцы, 24 – китайцы, 25 – японцы (лит.
ссылки приведены в рукописи диссертации).
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1. Полученные нами данные о распределении частот ассоциированного в европейских популяциях с гиполактазией генотипа С/С по полиморфизму LCT*C/T-13910 в популяциях России и сопредельных стран хорошо вписываются в общую картину географической изменчивости частот гиполактазии в популяциях Евразии [Козлов, 1996;
Козлов и др., 1998;
Enattah et al., 2007].
Для популяций азиатской части России необходимы дополнительные исследования генетических полиморфизмов, ассоциированных с гиполактазией для того, чтобы определить, является ли для них полиморфизм C/Т-13910 по гену LCT единственным или лишь одним из нескольких, ассоциированных с гиполактазией.
Для изученных популяций европейской части России различия между частотами клинически диагностированной гиполактазии в популяциях и установленными нами частотами генотипа C/C находятся в пределах статистической ошибки. Это позволяет заключить, что генотип C/С-13910 по гену LCT в изученных группах является наиболее частым, а возможно единственным, определяющим персистенцию лактазы и способность к усвоению молока взрослыми. Таким образом, ДНК-диагностику на носительство генотипа C/C локуса С/Т –13910 у представителей европейских популяций России можно рассматривать как предиктивный тест в отношении первичной гиполактазии задолго до ее фенотипического проявления.
2.2. Оценка возраста проявления фенотипических различий у носителей разных генотипов по полиморфизму LCT*C/T- При гиполактазии индивид испытывает неприятные симптомы после потребления цельного молока (до 1 стакана в день проходит бессимптомно), но не все связывают эти симптомы с молоком. Однако в среднем носители генотипа С/C по полиморфизму LCT*C/T-13910 потребляют меньше молока, чем носители аллеля Т. Мы провели обследование 270 здоровых молодых мужчин (совместно с А.Н.Петриным и С.А.Арутюновым, МГМСУ) в возрасте от 20 до 52 лет (средний возраст 26.2±0.4 года). В исследуемую группу были включены преимущественно русские мужчины (доля потомков от смешанных браков русских, украинцев и белорусов составила в изученной выборке 6.5%), уроженцы различных регионов европейской части России.
Информацию о частоте потребления цельного молока и кисломолочных продуктов собирали с помощью опросника, в котором для каждого вида продукта отмечали частоту его потребления за последний год (ежедневно или почти ежедневно;
реже чем ежедневно;
никогда).
Частота ассоциированного с гиполактазией генотипа С/C по полиморфизму LCT*C/T-13910 составила 45.2%, что соответствует распространённости фенотипических проявлений гиполактазии у русского населения (36-49% [Козлов, 2004]).
Установленная по данным опроса частота потребления кисломолочных продуктов (кефира, сыра и творога) у носителей разных генотипов не различается (табл. 6). Однако выявлены различия частоты потребления цельного молока. Среди носителей аллеля Т, детерминирующего персистенцию лактазы, 28% потребляют цельное молоко ежедневно, тогда как среди носителей генотипа С/С, детерминирующего первичную гиполактазию, доля таких индивидов составляет 16% (табл. 6). Различия значимы (р = 0.021 по двустороннему тесту Фишера). Никогда не потребляют молоко 11% и 15%, соответственно. Эти цифры близки к опубликованным данным (10% и 22%), полученным при обследовании 792 москвичей (возраст 20-79 лет) с известными генотипами по полиморфизму LCT*C/T-13910 [Timpson et al., 2010].
Анализ частоты потребления цельного молока в разных возрастных группах показывает, что до 22 лет носители разных генотипов не отличаются по частоте потребления молока (рис. 5). Ежедневное потребление молока отмечают 35% носителей генотипа C/C и 36% носителей аллеля Т. В более старшем возрасте у носителей генотипа C/C доля ежедневно потребляющих молоко снижается в 5 раз (с 35% до 7%), а у носителей аллеля Т – чуть более чем на треть (с 36% до 22%). Доля не потребляющих молоко у носителей генотипа C/C возрастает более чем в 2 раза (с 8% до 18%), а у носителей аллеля Т не меняется (10% и 11%).
Полученные нами данные о наличии возрастной границы изменения частоты потребления молока в изученной группе русских объясняют причину отсутствия связи между полиморфизмом гена LCT и потреблением цельного молока в исследовании Хабаровой с соавт. [Khabarova et al., 2009]. Авторы обследовали 231 индивида (русские Северо-Запада РФ ) 17-26 лет и сообщили об отсутствии (P=0,094) достоверных различий по потреблению молока между носителями генотипа C/C, с одной стороны, и генотипов С/T и T/T, с другой [Khabarova et al., 2009]. Однако после увеличения размеров выборки до 518 человек, различия достигли значимого уровня [Khabarova et al., 2011]. Возрастные различия в цитируемых работах не исследовались.