ДНК-тесты, просто о сложном

Немного отвлечемся от скучной археологии, и поговорим о вещах более интересных широкому кругу читателей – использовании ДНК тестов для исторических исследований.  Судя по комментариям и сообщениям в личку эта тема вызывает острый интерес, поэтому не буду откладывать, и закрою вопрос сразу. Интерес к теме вполне понятен – из фильмов и сериала CSI все знают о том, что достаточно взять капельку крови, поместить её в магический аппарат, который нарисует красивые столбики с полосочками, и можно надевать на преступника наручники и подавать на алименты.

Почему же не использовать это великолепный инструментарий для исследования, родственных связей исторических персонажей? Если по капельки крови можно определить её владельца неужели нельзя определить, например, к какому этносу принадлежал человек, чьи кости достали из какого-нибудь древнего захоронения? Это же гораздо точнее догадок, основанных на способе захоронения или форме наконечников стрел. Как обычно не все так просто, но не будем торопиться.

Для начала расскажу, что такое ДНК-генеалогия. Генеалогия это дисциплина, изучающая родственные связи людей, соответственно ДНК генеалогия это её раздел, изучающий родство людей с использованием  ДНК тестов.  Что такое ДНК, думаю все знают из тех же фильмов и учебника биологии – это такая длинная молекула в которой записана прикольная информация о том какой у тебя цвет волос и есть ли болезнь Хантингтона. Интересное свойство этих молекул – они могут воспроизводить сами себя, при делении клетки  каждая половинка получает по точной копии исходного генетического материала. ДНК хранится в сложных пространственных структурах – скрученным в спирали, которые скручены в петли, которые скручены в другие спирали и т.д. и т.п. Такие сложные структуры называют хромосомами. Самое главное, хромосома умеет не просто делиться и дублировать себя, а обмениваться участками с другой подобной (гомологичной) хромосомой, этот процесс называется кроссинговер, и происходит он при образовании женской яйцеклетки или мужского спермотозоида - они отличаются от остальных клеток организма тем, что вместо пары гомологичных хромосом содержат толкьо по половинке, и эта половинка уже перемешана. Познакомьтесь, это кроссинговер:

Черненькая колбаска – хромосома доставшаяся человеку от папы, беленькая – от мамы. Хромосомы обмениваются участками и получается новая хромосома, которая помещается в спермотозоид или яйцеклетку. Таких обменов происходит много, в различных хромосомах, это является залогом генетической изменчивости и объясняет, почему родные братья получаются разными.  Очень удачно то, что у мужчин есть Y хромосома, которая передается от отца к сыну без этого самого кроссинговера, то есть без изменений. 23 колбаски становятся полосатыми как жезл регулировщика, но вот одна черная колбаска так и остается идеально черной. Именно на этом и основана ДНК генеалогия.

Какие в итоге ребенку достануться признаки зависит не только от того, как перемешаются цепочки ДНК, но и от того какие гены будут переданы доминантные или рецессивные. Специально мы на этом мы останавливаться не будем, но упрощенно, на отдельных участках хромосомы есть однотипные аллели (разные варианты последовательностей нуклеотидов), которые всегда наследуются вместе – в этом месте хромосома не рвется и не перекрещивается.  Представьте, что информация идет одним словом «красивые» в том месте, где кодируются глаза,  и при кроссинговере  этот участок передается ребенку так же целиком словом «красивые». Если признак «красивые» доминантный, то у ребенка они тоже будут красивые. Это называется гаплотипом, а совокупность таких участков – гаплогруппой.  Очень важно, что иногда происходят отдельные мутации  грубо говоря всего в одной букве (однонуклеотидный полиморфизм), и при кодировании глаз вместо «красивые» получается «красивый» что приводит вот к таким результатам:

Такие мутации нужны для эволюции видов – неудачные особи умирают, а удачные закрепляют полученную мутацию. У чукчей и эскимосов, например, основной обмен и потребление кислорода выше на 15% чем у  жителей средних широт. А мы спокойно перевариваем молоко и меньше подвержены влиянию растительных ядов, в отличии, например, от азиатов, или негров, у которых свои эволюционные примочки.  Исследованиями SNP мутаций занимается генетика а исследованием частоты их встречаемости в различных популяциях, соответственно, популяционная генетика. Люди в белых халатах день и ночь нажимают на непонятные кнопки и колдуют над пробирками, чтобы выделить отдельные небольшие кусочки молекул ДНК. Чтобы понять насколько это сложно достаточно сказать, что в ДНК клетки человека содержится около 3,2 миллиарда пар нуклеотидов, или 800 Мб информации записанной на очень длинные скрученные молекулы. В научных базах SNP накоплена информация о нескольких миллионах возможных полиморфизмов, данные базы нужны, например, для анализа предрасположенности к тем или иным заболеваниям.

Для целей ДНК генеалогии важны только гаплотипы, записанные в самой короткой Y хромосоме – она не меняется при передаче от отца к сыну, а однонуклеотидный полиморфизм (SNP, его еще называют снипом) происходит очень редко, с вероятностью где-то  0.000001% на поколение. Мутация обычно необратима (вероятность повторной мутации в том же месте ничтожно мала) , поэтому по разным наборам гаплотипов Y хромосомы всех мужчин разбивают на гаплогруппы.  Для каждой из групп существует некий общий предок в Y хромосоме которого произошла мутация, и все его потомки стали определенным образом отличаться от остального населения земного шара.  Мутации записывают латинской буквой (обозначающей открывшую её лабораторию, например М это Stanford University) и цифрой.  Вот тут можно посмотреть табличку с актуальным перечнем таких мутаций.

Например мутация L120 она же M516, на позиции 14388411 нуклеотид аденин внезапно стал гуанином. Матерый генетик сразу скажет: «Ну конечно, это же признак того, что человек принадлежит гаплогруппе R1a1».

Вторая важная особенность – информационные участки на цепочке ДНК разделены специальными разделителями, что-то вроде обособления слов пробелами, чтобы их можно было прочитать.  Такие разделители называются короткими тандемными повторами (STR). Это особые последовательности нуклеотидов, повторенные несколько раз. Собственно именно по количеству повторов и отличают в тестах одну ДНК от другой. Место, в котором замеряют количество повторов называется маркером или локусом. В этих местах ДНК так же подвергается мутациям, но вместо изменения одного нуклеотида изменяется количество повторов в тандеме. Частота мутации разная, и подсчитывается опытным путем (забором проб у отца и сына и сравнением). Вот тут приводятся цифры по отдельным маркерам например TH01 изменяется всего в 0.01% случаев передачи к потомку, а SE33 в 0.64%.   Понятно, что чем больше маркеров мы определили в пробе, тем больше вероятность получить мутацию хотя бы в одном, и тем выше точность теста. 

Так же для двух людей  можно установить ближайшего возможного общего предка. Поскольку мутация изменяет количество повторов на 1 в большую или меньшую сторону, по количеству таких отличий можно понять, когда примерно этот общий предок жил.

Кроме исследования родства по Y-хромосоме есть исследования по митохондриальной ДНК (мДНК). Это ДНК содержащаяся не в ядре клетки, а в митохондриях, отвечает, грубо говоря, за функционирование самих клеток, а не за цвет глаз. Они изначально есть во всех клетках, включая женские яйцеклетки, поэтому передается от матери к сыну (который будет носителем этой мДНК, но не передаст её) и к дочери, которая передаст её своим детям. мДНК ценна тем, что она сохраняется даже в очень старых образцах, в отличии от Y хромосомы, содержащейся в ядре. Поэтому, например, для каких-нибудь королей и королев Дании есть только гаплогруппы по мДНК.

Закрепим нарисовав схему

Кружки слева это обычные клетки женщины и мужчины. Стрелкой отмечен процесс образования половых клеток - гамет. Именно тогда происходит кроссинговер и создание новых комбинаций генов. Маленькими кружочками я отметил половые хромосомы XX у женщин XY у мужчин. Они находятся в ядре вместе с остальными хромосомами. Буквой m обозначена митохондриальная ДНК, она хранится отдельно не в ядре, а в митохондриях.

Пол ребенка зависит от того какая из хромосом X или Y досталась спермотозоиду. Кстати искуственое оплодотворение с выбором пола основано на том, что спермотозоиды с X хромосомой больше и тяжелее т.к. X хромосома больше чем Y.

Если рождается девочка она берет митохондриальную ДНК и одну перемешанную кроссинговером X хромосому от матери, а вторую X хромосому от отца (по сути от бабушки по отцовской линии). Митохондриальная ДНК сохраниться у всех девочек в роду.

Если рождается мальчик он берет митохондриальную ДНК матери, наследует у неё одну из X хромосом и берет Y хромосому отца. Поскольку она непарная, то кроссинговера не произойдет и Y хромосома сохраниться у всех мальчиков в роду, изменяясь только редкими мутациями.

Генетический материал подвергают SNP и STR анализу.

SNP анализ по мутациям отдельных нуклеотидов разбивает все Y-хромосомы на мутационные кластеры (клады), их в свою очередь на подкластеры (субклады), по какому-то другому однонуклеотидному полиморфизму (снипу). Например гапрогруппа  R1 разбивается на субклады R1a (хромосомы с мутацией L62, L63) и R1b (хромосомы с мутацией M343). Эти гаплогруппы так же разделяются по другим снипам. Такие многочисленные уточняющие разбиения кластера на подкластеры приводят вот к таким записям R1b1b2a1b3.

О разных методиках детекции SNP можно почитать тут. Подробно их описывать я не буду, поскольку там начинается адская химия пополам с физикой, а от словосочетаний «оптиковолоконный ДНК гибридизационный анализ» или «случайная амплификация полиморфной ДНК» у меня начинаются обмороки.

STR анализ в первую очередь важен для определения общего предка и времени его жизни внутри какой-то гаплогруппы. Результаты этого анализа записывают в виде последовательности чисел, например «13 25 16 11 11 14 12 12 10 13 11 30». Используют разное количество маркеров, каждая позиция соответствует определенному месту на Y хромосоме, а число, это число повторов.

Основная методика STR анализа - замеряют число повторов разбивая молекулы ДНК на нужные кусочки, а потом замеряя длину их продвижения в вязкой среде под действием электрического поля, которая зависит от строения и размера кусочков. Процесс называется электрофорез ДНК. Вот тут есть инструкция с фотографиями, для химических гиков.

Таким образом ДНК-генеалогия похоже на антропологию, только антропологи замеряют краниологические параметры черепов, а генетики считают повторы STR и проверяют наличие или отсутствие отдельных мутаций.

Отдельная наука геногеография исследует распространение гаплогрупп по разным регионам. Вот тут есть генетический атлас народов мира. Именно из него берут картинку с разноцветными кружочками по распространению R1a1 люди открывшие чудеса генетики и то, что внезапно вокруг сплошные родственники (по общему предку жившему где-то 18 тысяч лет тому назад, ага). Картинка настолько надоела, что я даже приводить её не стану.

Еще раз краткое резюме по днк-тестам, это нам понадобятся для понимания дальнейшего материала:

SNP (single nucleotide polymorphisms, однонуклеотидный полиморфизм в обычной речи эс-эн-пэ или снип) – очень редкие изменения в отдельных буквах тех слов, которыми записан наш генотип.   Снипы это маркеры, по которым можно разделить всех людей на группы (гаплогруппы).

STR (short tandem repeat, короткий тандемный повтор, он же эс-тэ-эр) – частые изменения длин пробелов между словами, которыми записан наш генотип. Зная частоту изменений можно спрогнозировать насколько близкими родственниками могут быть два человека, и когда примерно жил их общий предок.