­­­­­­

В последнее время очень популярным стало исследование своего генома. Миллионы людей уже провели анализ своей ДНК на микрочипах (ДНК-чип, SNP-microarrays), который выявляет наличие/отсутствие сотен тысяч распространенных мутаций во всем геноме. Этот анализ позволяет довольно достоверно выявлять ближайших родственников и определять, к каким популяциям принадлежали ваши предки. Кроме того, он позволяет определить - являетесь ли вы носителем специфических генетических заболеваний, таких как талассемия или муковисцидоз. Можно ли этот же генетический анализ эффективно применить для выявления предрасположенности к многофакторным медицинским проблемам как-то: ожирение, нервные расстройства, сердечно-сосудистые болезни или же определить индивидуальную диету? Рассмотрим это на примере влияния генетических факторов на уровень витамина D. Буквально тысячи клинических и популяционных исследований во всем мире выявили, что хронические заболевания сердца, сосудов, почек, онкологические и аутоиммунные заболевания ассоциируются с низким содержанием витамина D в крови. Исследования близнецовых пар показали, что от 40 до 80 процентов вариаций уровня витамина D определяются наследственностью. Популяционно - генетические исследования выявили четыре гена, в которых довольно часто встречающиеся мутации могут влиять на уровень витамина D: GC, NADSYN1/DHCR7, CYP2R1и CYP24A1. Все эти четыре гена кодируют белки, участвующие в синтезе или транспортировке витамина D. Однако масштабные геномные исследования типа GWAS (Genome-Wide Association Study), в которых были включены до 80 тысяч индивидуумов, недавно выявили, что генетические вариации в этих четырёх идентифицированных генах определяют не более 8 процентов вариаций уровня витамина D. А исследования о взаимозависимости/взаимодействии найденных мутаций с диетами/пищевыми добавками на уровень витамина D вообще не выявили никаких закономерностей. Необнадеживающие результаты подобных поисков исследователи объясняют тем, что ими анализировались часто встречающиеся в популяциях генетические варианты, а причиной пониженного уровня витамина D могут быть редкие варианты, анализ которых невозможен с помощью недорогих технологий анализа на ДНК-чипах. Кроме того, анализы на ДНК-чипах не выявляют взаимовлияния генов. Следует отметить, что в более ранних исследования была выявлена группа сцепленных мутаций в гене GC, которые связаны с пониженным содержанием витамина D, однако при этом у носителей этих мутаций не выявлено повышенной предрасположенности к развитию хронических заболеваний. Ген GC кодирует белок, который связывает витамин D и переносит его по кровяному руслу. Этот белок участвует в переносе множества других очень важных молекул в организме, и витамин составляет D только лишь 5 процентов из них. На этих примерах мы видим, что современные технологии генетики пока не позволяют создать надежные индивидуальные рекомендации, который помогли бы людям эффективно влиять на своё здоровье посредством знания своего генома. Интерпретация данных о вашем геноме чрезвычайно непростое занятие. Здесь возможны противоречивые оценки специалистов, ложные заключения и просто шарлатанство. Поэтому при толковании своего генома не доверяйте одному источнику, а получайте несколько независимых оценок профессионалов.  

Если популяционные исследования митохондриальной ДНК человека начались как научный проект с целью показать происхождение людей от африканской Евы, то популяционный анализ ДНК Y хромосомы поначалу возник как частная инициатива двух врачей, весьма далеких от эволюционной генетики. В середине 90-ых годов канадский нефролог из иудейской династии Коэнов решил разобраться насколько Y хромосома его и его коллеги, тоже Коэна, отличается от Y хромосом других иудеев. По традиции Коэном, то есть иудейским священником, может быть исключительно потомок Аарона, который, согласно Библии, жил 3300 лет назад. Кроме того, один из этих нефрологов был ашкеназом, а другой сефардом, то есть представителями двух, разошедшихся 2000 лет назад, ветвей потомков Аарона. Совместно с генетиками из Университета Аризоны были проанализированы образцы ДНК 183 ашкеназов и сефардов, и обнаружены отличия между потомками Аарона и всеми остальными иудеями. Своё исследование они опубликовали в журнале Nature. Результатом этой статьи явилось не только создание целой области популяционных исследований Y-хромосомы, но сформировались многочисленные сообщества любителей генеалогических исследований на основе ДНК. Были созданы гено-генеалогические компании и сообщества единомышленников, как например Международное Oбщество Генетической Генеалогии (https://isogg.org). Но, как это часто бывает в биологии, четкие закономерности, полученные в первых экспериментах, в дальнейшем при увеличении числа анализируемых данных начинают «расползаться» и терять свою первоначальную определенность. Вся двадцатилетняя история изучения генеалогии по Y хромосоме именно и есть наглядная иллюстрация этого феномена. Например, когда авторы упомянутой выше статьи 10 лет спустя проанализировали в 10 раз больше представителей иудейской нации и около 2000 представителей других народов, то выяснилось, что несколько специфических маркёров Y хромосомы чрезвычайно распространённых у Коэнов, присутствуют и у других иудеев, но отсутствуют у не иудеев. Однако Y хромосомы нескольких процентов потомков Аарона принадлежали к гаплогруппам, характерным для жителей Африки, Средиземноморья или Западной Европы. То есть далеко не все носители фамилии Коэн, или же их прямые потомки по мужской линии, имеют идентичную Y хромосому.Рассмотрим вкратце результаты трёх известных исследований Y хромосомы в других популяциях. Интересные результаты получили ирландские любители генеалогии, которые вместе с генетиками обнаружили среди 20% своих соотечественников-однофамильцев целые кластеры очень похожих гаплотипов Y хромосом, отнесенных к средневековой династии Uí Néill. Предполагается, что предком и источников этих специфических гаплотипов был полулегендарный военноначальник Niall, живший в 5-6 веках, однако останков его или его достоверных потомков найти пока не удалось. На другом континенте среди представителей целого ряда популяций, населяющих степную зону от Каспия до Тихого океана, были найдены кластеры идентичных Y гаплотипов. Расчеты показали, что предок носителей этих гаплотипов жил примерно 800-1000 лет назад, и на этом основании было предположено, что этим предком был не кто иной как Чингисхан. Позже была обнаружена могила очень знатного человека, предположительно Чингис-Хана, однако его гаплотип не совпал с гаплотипом носителей «кластера Чингис-Хана». И, наконец, в исследованиях, где предок был точно известен, так как принадлежал к королевскому роду, случались ещё большие конфузы. Так, анализ ДНК, выделенной из останков английского короля Ричарда III, показал, что его Y хромосома принадлежит к гаплогруппе G, а пятеро его прямых ныне живущие потомков имеют R1b или I гаплогруппы. Исследования останков французских королей Генрих IV и Людовика XIV также показали, что гаплогруппы их ныне живущих потомков по мужской линии не совпадают с предковыми, хотя и схожи между собой. Эти истории можно продолжать, но из вышенаписанного ясно, что современная генетическая генеалогия склонна к сенсациям и поспешности выводов. На нынешнем этапе развития молекулярной генетики серьезные ошибки в интерпретации полученных данных по полиморфизму Y хромосомы неизбежны в силу вполне объективных причин. Y хромосома кодирует очень мало белков и представлена в основном короткими тандемными повторами, то есть идентичными наборами 3-6 нуклеотидов, копии которых много раз повторяются друг за другом. По большей части, генеалогический анализ Y хромосомы основан на подсчете числа копий определенных повторов-маркёров, которые обозначаются Y-STR (Y-Short Tandem Repeat). Этих повторов-маркёров около 20, а длина их колеблется от 12 до 18. Соответственно, вариации числа копий повторов-маркёров у разных людей и представляют специфически наследуемый гаплотип, применяемый для генеалогических исследований. В популяционных исследованиях других хромосом чаще применяют традиционный подход - анализ однонуклеотидных мутаций (так называемые SNP, Single Nucleotide Polymorphism). Некоторые мутации является хорошими маркёрами отдельных популяций. В последнее время все чаще используют SNP в качестве маркёров Y хромосомы. Эти SNP маркёры определяют основные популяционные гаплогруппы Y хромосомы человека. Таким образом, по сравнению с другими хромосомами, на Y хромосоме анализируются маркёры гаплотипов и гаплогрупп. Применение каждого из этих подходов имеет свои за и против. Короткие повторы нестабильны - изменение их числа может быть как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения числа копий повторов. Поэтому анализ Y-STR в криминалистики, когда нужно вычислить ближайших родственников по мужской линии, даёт хорошие результаты. Однако подобный анализ людей, разделённых 7 и более поколениями, может давать существенные сбои. Однонуклетидный полиморфизм является очень стабильным признаком, однако подавляющее большинство исследований популяционный генетики Y хромосомы в недавнем применяли ограниченное количество SNP маркёров. Развитие следующего поколения секвенирования (Next Generation Sequencing) совершает скачок в генетических исследованиях, так как увеличивается количество доступных для анализа SNP, уточняются частоты мутаций и улучшается временная калибровка. Вкупе с огромным количеством накопленных генетических баз данных в клинических исследованиях и в ген-тестирующих компаниях перед человечеством открываются огромные возможности узнать и понять наше генетическое прошлое. Скорее всего многие ныне популярные представлений о движениях человеческих популяций по планете на основе Y-генеалогии окажутся недостоверными и будут кардинально пересмотрены.  

Каждая клетка эукариот содержит два принципиально разных источника информации о своём существовании: 1) ядро с ядерной ДНК и 2) митохондрии с циркулярной ДНК бактериального типа. Предполагается, что такая структура возникла в результате симбиогенеза или эндосимбиоза 2 миллиарда лет назад, когда древняя клетка-эукариот с ДНК-содержащим ядром проглотила другую древнюю клетку-протобактерию, которая содержала меньше ДНК, но генерировала очень много энергии из кислорода. Эта бактерия и превратилась в митохондрию. Теория симбиогенеза была разработана русским биологом Константином Мережковским, старшим братом знаменитого поэта, чуть более 100 лет назад и позже широко пропагандировалась американскими биологами Айваном Уиллиным и, особенно активно, Лин Марголис. Не так давно методами молекулярной генетики было обнаружено, что митохондрии произошли от предков современных цианобактерий и, таким образом подтвердили эту теорию. Стало очевидно, что генетический материал митохондрий и ядра отличаются по происхождению и, вероятно, эволюционировали по разному. Кроме того, эмбриологи обнаружили, что у большинства организмов при оплодотворении митохондрии сперматозоидов не проникают в яйцеклетку, а если и попадают, то оплодотворённая яйцеклетка их метит особым образом и ликвидирует. Следует отметить, что клетки просто напичканы митохондриями - число копий митохондриальной ДНК достигает нескольких тысяч на клетку. Если какие-то отцовские митохондрии сохраняются в яйцеклетке после оплодотворения, то при последующих делениях они должны быть быть сильно разбавлены материнскими и практически не детектироваться при ДНК-анализе.Таким образом, наследование потомством митохондриальной ДНК исключительно по материнской линии было абсолютной догмой с 60-ых годов прошлого века. Хотя переодически публиковались работы, в которых сообщалось, что у некоторых организмов, включая человека, обнаружены отцовские митохондрии, но таким исследованиям не придавалось особого значения, или же они считались ошибочными. И вот в конце 2018 года группа американских и китайских ученых опубликовала в престижном журнале PNAS исследование митохондриальных ДНК трех поколений из трёх семей. Они обнаружили присутствие отцовской митохондриальной ДНК у 17(!) из 52 исследованных индивидуумов. Причём их результаты были подтверждены двумя независимыми лабораториями. Авторы сделали предположение, что передача отцовских митохондрий происходит по причине генетических отклонений в генах, кодирующих белки, маркирующих отцовскую ДНК для деградации и/или в генах, обеспечивающих увеличение числа отцовских митохондрий. Авторы при этом отмечают, что наследование митохондриальной ДНК по материнской линии в эволюции играет доминирующее значение, а наследование по отцовской линии происходит лишь время от времени (одна треть?). Так ли это, нам предстоит скоро узнать, ведь статья в престижном PNAS может инициировать публикации других результатов о наследовании отцовских митохондрий, которые прежде запрещались. А пока давайте вспомним, как возникла такая область современной генетики как ДНК-генеалогия на основе митохондриальной ДНК. В середине 80-ых годов американские исследователи Ребекка Канн, Марк Стоункинг и Аллан Вильсон проанализировали митохондриальную ДНК 147 человек из Африке, Азии, Европы и аборигенов Австралии и Новой Гвинеи. Они применили очень простой, но тогда только доступный рестриктный анализ митохондриальной ДНК, обработали полученные результатов очень простыми статистическими методами, прокалибровали время эволюции человеческой митохондриальной ДНК по известному времени заселения аборигенами Австралии и островов и сделали вывод, что человечество имеет одну маму, которая жила около 200 тысяч лет назад где-то в районе западного побережья южной Африки. Статью долго не принимали, но в конце концов она была опубликована в журнале Nature, причём с комментариями о происхождении митохондриальной Евы. Удивительно, но до сих пор работа Канн и соавторов считается самым главным молекулярно-генетическим доказательством африканского происхождения человека. Работа Канн и соавторов была очень раскручена в научной и популярной литературе, а особенно публикацией книги «Семь дочерей Евы». Следует отметить, что размер митохондриальной ДНК составляет всего 16 тысяч нуклеотидов, практически каждый нуклеотид может мутировать и давать новый гаплотип митохондриальной ДНК. В настоящее время генетический варианты митохондриальной ДНК легко идентифицируются с помощью секвенирования или анализа на чипах. Учитывая все возрастающее размеры баз данных об митохондриальной ДНК индивидов, один из основных сайтов, собирающих и анализирующих митохондриальные гаплотипы mitotree.org ежегодно выпускает новую версию генетического древа митохондриальной ДНК со все более разветвленными ветками. Причём маркёры этих веток становятся все менее специфичными и однозначными. Нам остаётся только наблюдать как в ближайшее время распространённая идея о митохондриальной Еве, обеспечившей нас всех митохондриальной ДНК 200 тысяч лет назад даст трещины и уйдёт в небытие.