Современные геногеографические проекты

Геногеография — исследование распространения характерных гаплогрупп ДНК и других характерных генетических признаков живых организмов и человека по различным географическим районам Земли. В 1928 году геногеографию, как отдельное понятие, впервые ввёл в науку советский генетик, академик А. С. Серебровский (1892—1948).

Основная задача геногеографии — установление географического распространения и, по возможности, частот аллелей, определяющих основные признаки и свойства в пределах всего или части ареала изучаемого вида организмов. Геногеография изучает также причины распространения аллелей. Проведение геногеографических работ возможно лишь у тех видов, у которых в экспериментально-генетических исследованиях установлена связь между изучаемыми признаками и генами.

Практическое и прикладное значение геногеография имеет в установлении генофондов домашних животных и культурных растений как одной из основ породного сортового районирования и селекции, а также в генетике человека и, особенно, медицинской генетике.

Геногеографические исследования генофонда человека, как правило, включают картографический анализ распространения генетических маркеров (гаплогрупп) в населении крупных регионов и детальное изучение ряда конкретных популяций. Проводятся экспедиционные исследования и генотипирование различных ДНК и классических маркеров: мтДНК,
Y-хромосом, генетико-биохимических и других генетических маркеров.

С 2005 года в планетарном масштабе реализуется международный проект «Генография» — крупнейший геногеографический проект, исследующий изменчивость мтДНК и Y-хромосом населения по территории Земли, с целью составления детального генетического атласа народов мира и изучения древних миграций людей. Бюджет проекта превышает 40 миллионов долларов США. Проект «Генография» финансируется Географическим обществом США, IBM и рядом спонсоров.

В рамках проекта «Геногеография» в России проводится проект «Генофонд Северной Евразии».

Проблема проекта «Генофонд Северной Евразии»: выявление географической изменчивости генофондов и системы «генетического родства» различных групп народонаселения

Общие задачи:

1.    Собирать и анализировать информацию о генофондах народов России и сопредельных стран:

• Изучение основных закономерностей в пространственной изменчивости генофондов.
• Выявление «общей модели» архитектоники каждого генофонда, не зависящей от типа анализируемых генетических маркеров.   
• Определение степени сходства и отличий генофондов народов Северной Евразии на основе ряда независимых методов и маркеров.    
• Анализ структуры генофонда человека на разных уровнях иерархии его популяций (локальные популяции — этносы — регионы — Северная Евразия — ойкумена).  
• Выявление путей древних миграций и расселения человека на основе параллельного изучения филогеографии обоих типов однородительских маркеров — мтДНК (материнские линии) и Y хромосомы (отцовские линии).  
• Интенсивные исследования народов Северной Евразии по всему спектру популяционно-генетических маркеров: мтДНК, Y хромосомы, аутосомного генома.

   2. Создавать удобные базы данных и картографические атласы для быстрого поиска информации по генофонду Северной Евразии.
   3. Обеспечивать надежные и легкодоступные знания о «системе родства» генофондов, необходимые для исследования геногеографии мультифакториальной и моногенной наследственной патологии. 

Конкретные задачи: широкие экспедиционные обследования генофондов всех народов Северной Евразии (как России, так и республик бывшего СССР); изучение популяций коренных народов и популяций современного населения; анализ всех трех основных типов ДНК маркеров — митохондриального генома, Y-хромосомы, аутосомных маркеров; генотипирование «однородительских» маркеров проводится со степенью детальности, удовлетворяющей современным стандартам мирового научного сообщества (секвенирование контрольного региона и анализ кодирующей части мтДНК, широкий спектр SNP-маркеров и микросателлиты Y-хромосомы); создание общедоступных баз данных по генофонду народонаселения Евразии; представление информации в виде легко читаемых карт компьютерного картографического Атласа генофонда, который позволяет специалистами в любых областях медицинских, естественных и гуманитарных наук использовать всю накопленную информацию о генофонде народов Евразии.

   Основной метод — геногеографическое изучение пространственной структуры генофондов разных иерархических уровней.
   Экспериментальные методы — стандартные методы анализа полиморфизма ДНК (ПЦР-ПДРФ, секвенирование).

Методы анализа — геногеографическое изучение пространственной структуры генофондов разных иерархических уровней.

 В лаборатории проводится анализ больших массивов генетических данных о народонаселении — как собственных, так и литературных, содержащихся в разрабатываемых нами базах данных.
   Для анализа этой информации используется широкий спектр методов:    

• Классические популяционно-генетические методы (анализ генетических расстояний, уровня гетерозиготности, степени подразделенности популяции);
• Многомерные статистические методы (многомерное шкалирование, кластерный анализ);  
• Методы филогенетики и филогеографии (построение медианных сетей, анализ нуклеотидного разнообразия в пределах гаплогрупп, сопоставление популяций по гаплотипическому составу);   
• Методы разработки баз данных.

   Однако, наряду с этими общепринятыми методами, главное направление нашей работы основано на последовательном применении методов картографического анализа генофонда. Эти методы основываются на оригинальной разработанной технологии картографо-статистического анализа.
   Технология позволяет:    

• проводить картографическое моделирование распространения генов в географическом пространстве;
• проводить специальные виды картографического анализа и стандартные виды статистического анализа;   
• анализировать совокупности карт многих генов, выявляя фундаментальные черты структуры генофонда.

   Основные разделы технологии:    

• Построение интерполяционных карт распространения признака (выбор оптимальных параметров интерполяции, расчет статистических показателей как по исходным, так и по интерполированным значениям).
• Расчет надежности картографического прогноза (в каждой точке карты). Результирующая карта надежности имеет огромное значение при интерпретации результатов: она показывает, на каких территориях результаты являются достоверными, а на каких — лишь вероятным прогнозом.  
• Выявление трендов (скрытых закономерностей) в пространственной изменчивости признаков.
• Анализ корреляций между картами различных признаков и построение корреляционных карт.   
• Построение синтетических карт первого рода: карт гетерозиготности (нуклеотидного разнообразия; других показателей внутрипопуляционной изменчивости).  
• Построение синтетических карт второго рода: карт главных компонент. Такие карты используются для визуализации основных паттернов в пространственной структуре генофонда. Первые две-три главные компоненты обычно описывают основные закономерности в изменчивости большого числа генов. Метод картографирования главных компонент был разработан одной из ведущих зарубежных популяционно-генетических школ и успешно применен для выявления основных черт пространственной структуры генофонда на всех континентах.
• Построение синтетических карт третьего рода: карт генетических расстояний. Такие карты показывают сходство популяций из всех частей изучаемой территории с выбранной реперной популяцией. Эти карты обладают большей разрешающей способностью, чем карты главных компонент. Однако для их эффективного применения необходимо предварительно сформулировать вопрос, избрав реперную популяцию. Поэтому этот метод больше подходит для углубленного изучения генофонда и проверки гипотез, а метод главных компонент — для разведочного геногеографического анализа.

    Совокупность этих методов позволяет как выявлять основные закономерности, так и проводить анализ тонкой генетической структуры генофонда, причем на любом уровне: от генофонда всей ойкумены до генофонда локальных популяций.

Для выявления устойчивых черт структуры генофонда, для объективного анализа закономерностей огромную помощь оказывает полисистемный подход. Его сущность — в параллельном анализе нескольких массивов разнородных данных с использованием одних и тех же методов. Как правило, анализируются данные по классическим генетическим маркерам; по разным типам ДНК-полиморфизма; данные физической антропологии; данные по квазигенетическим маркерам (частотам фамилий); и другие. И только в том случае, если анализ всех этих массивов данных выявляет одинаковые закономерности, делается вывод, что обнаружена объективная, устойчивая структура генофонда.

Проект «Однофамильцы или родственники?». В этом проекте изучается связь фамилии и генетики: являются ли однофамильцы родственниками? Какова история возникновения русских фамилий? Как связаны фонд фамилий и генофонд? Проект финансирует Российский гуманитарный научный фонд.

 Целью проекта «Однофамильцы или родственники?» является выяснить с помощью генетики, как возникали и распространялись русские фамилии. Для этого необходимо изучить Y-хромосому у нескольких носителей одной и той же фамилии. Y-хромосома наследуется по мужской линии — от отца к сыну, как и фамилия. Поэтому, если Y-хромосомы у кого-то из однофамильцев окажутся одинаковыми, это будет означать, что они являются родственниками, и как Y-хромосома, так и фамилия, получены ими от одного их общего предка. Те участники, Y-хромосомы которых отличаются друг от друга, родственниками не являются, и их предки просто взяли себе когда-то одинаковые фамилии. Понятно, что далеко не все фамилии восходят к одному родоначальнику. Но получить информацию об их возникновении — и есть задача проекта.