Научное и прикладное значение анализа изменчивости Y-хромосомы для криминалистики, этнодемографических исследований и исторических реконструкций

К настоящему времени молекулярные технологии изучения генома человека позволили описать историю формирования предковой популяции человека, четко охарактеризовать и датировать крупные миграции древних людей при расселении по континентам (Rosenberg et al., 2002).

На основе секвенирования (установления нуклеотидной последовательности ДНК) генома неандертальца и изучения ДНК денисовского человека установлено время разделения этих форм с Homo sapiens и выявлено присутствие небольших фрагментов их генома в геноме человека (Meyer et al., 2012; Prϋfer et al., 2014). Некоторые фрагменты генома неандертальца играют существенную роль в чувствительности или устойчивости к COVID-19 (Zeberg, Pääbo, 2020; Zeberg, Pääbo, 2021). Следует отметить, что палеогенетик Сванте Паабо недавно был удостоен Нобелевской премии за секвенирование генома неандертальца. Таким образом, решены важные проблемы происхождения человека.

ДНК-технологии применяются для идентификации личности погибших на войне, жертв природных и техногенных катастроф и терактов, а также для исторических иден- популяционном уровне как основа создания гене- тификаций. Эти технологии позволяют в ряде случаев определить место происхождения неизвестного лица по образцу ДНК. ДНК-идентификация используется не только в криминалистике, но и для решения текущих проблем, возникающих в социуме, например установления родства по материнской или отцовской линии. Такие молекулярно-генетические маркеры, как микросателлиты, представляющие собой вариабельные повторы субъединиц из нескольких нуклеотидов, успешно применяются, помимо ДНК-идентификации, для рассмотрения генетической дифференциации популяций, создания популяционных референтных баз данных (Chakraborty et al., 1999). Новейшие ДНК-технологии стоят на страже института отцовства, так как позволяют не только исключать отцовство, но и надежно его устанавливать, что весьма востребовано в современном обществе.

Популяционные референтные базы данных служат основой для интерпретации вероятностных оценок результатов идентификации личности (в криминалистике, при идентификации жертв катастроф, терактов, останков погибших на войне, при установлении родства и пр.). В ходе проведения судебной экспертизы достоверность иденти- фикации личности с помощью стандартного набора судебных микросателлитов (STR) зависит от правильного выбора референтной популяции.

Мужская Y-хромосома – половая хромосома – является уникальной генетической структурой, которая передается по мужской линии от отца к сыну и служит определяющей для развития мужского пола у потомства. Уникальность Y-хромосомы в том, что в ее составе есть нерекомбинирующая область (NRY), в которой из поколения в поколение единым блоком наследуются накопленные изменения в ДНК. Они составляют молекулярную летопись линии людей – носителей конкретной Y-хромосомы. Анализ информации, сосредоточенной в маркерах Y-хромосомы, в совокупности с информацией об особенностях географического распространения вариантов Y-хромосомы позволяет получить уникальные сведения о древней истории популяций человека, оценить уровень генетического разнообразия популяций, описать их происхождение и реконструировать прошлые миграции, предоставляя зачастую более точные и надежные сведения по сравнению с обнаруженными в процессе раскопок древними артефактами (Mitchel, Hammer, 1996; Mendez et al., 2013). Наиболее востребованы микросател-литные маркеры Y-хромосомы из нереком-бирирующей области, а также гаплогруппы Y-хромосомы, представляющие совокупность конкретных однонуклеотидных замен с основной заменой, определяющей принадлежность к конкретной гаплогруппе. Например, принадлежность к гаплогруппе R1b определяется основной заменой в позиции M343. Современный инструментарий по изучению маркеров Y-хромосомы, включающий наряду с молекулярно-генетическим анализом также статистический анализ, позволяет определять время некоторых важных событий в истории человечества, например возникновение популяции человека современного типа, и датировать древние миграции (Rosenberg et al., 2002; Mendez et al., 2013). Без сомнения, синтез классических исторических данных и результатов научных ис- следований с применением современных молекулярно-генетических методов обеспечит существенное расширение знаний об истории человечества.

Специфические географические особенности распространения гаплогрупп Y-хромосомы помогают эффективно маркировать миграционные потоки, что особенно востребовано при изучении миграции в мегаполисы на территории Российской Федерации, и рассматривать вклад определенных потоков генов в генофонд населения мегаполисов. Специфика Y-хромосомы как уникального генетического маркера позволяет прогнозировать изменения профиля частот гаплогрупп Y-хромосомы в населении мегаполисов в результате притока мигрантов – представителей народов Северного Кавказа, Закавказья и Средней Азии. Это важно не только при разработке судебных референтных баз данных по ДНК-маркерам для нужд криминалистики, но и отчасти для обеспечения генетической безопасности населения мегаполисов, учитывая связь некоторых заболеваний с маркерами Y-хромосомы (Quintana-Murci et al., 2001; de Kniff, 2022). В целях оценки вероятности случайного совпадения генотипов по маркерам Y-хромосомы у представителей одной популяции необходимо создание популяционных баз данных по этим маркерам. Помимо применения в судебной медицине, базы данных ДНК нужны для решения популяционно-генетических задач, изучения миграций по мужской линии.

В статье рассмотрим основные достижения в исследовании маркеров Y-хромосомы в историческом времени и географическом пространстве, имеющие выходы на исторические и социальные проблемы современного мира. Цель публикации заключается в кратком обзоре и популяризации основных накопленных знаний о популяциях человека с применением современных ДНК-технологий, в первую очередь полученных при изучении Y-хромосомы, с тем чтобы сделать их доступными для демографов и социологов. Человек представляет собой средоточие биологического и социаль- ного, и для решения проблем современного общества необходим синтез этих двух составляющих.

Установление отцовства с применением методов ДНК-идентификации

Установление отцовства сейчас представляет собой отработанную процедуру ДНК-идентификации с применением анализа набора аутосомных микросателлитов (т. е. микросателлитных маркеров, локализующихся не в половых хромосомах человека) в отношении предполагаемых отцов, ребенка и его матери (Jobling et al., 1997). Микросателлиты представляют собой надежный инструмент для указанной процедуры. Эти ДНК-маркеры – высокополиморфные и поэтому обладают высокой разрешающей способностью, что обеспечено высокой скоростью появления мутаций, т. е. производных вариантов. В отдельных случаях возможно привлечение маркеров непосредственно Y-хромосомы. В любом случае при проведении ДНК-идентификации в рамках оценки надежности этой процедуры желательно определить частоту в популяции привлекаемых маркеров для оценки достоверности идентификации личности. Понятно, что более высокую достоверность результата могут дать более редкие маркеры по сравнению с широко распространенными в популяции.

Анализ маркеров

Y-хромосомы в целях криминалистики, установления родства по мужской линии и исторических реконструкций

Одним из примеров установления родства по мужской линии может служить случай исторической идентификации личности. Участник антифашистского сопротивления в скандинавской стране, некий Питер Хоффер, был расстрелян по приговору участников датского сопротивления в возрасте 23 лет по подозрению в коллаборационизме. Через много лет было установлено, что он не являлся пособником фашистов. При поисках захо- ронения останков Питера была проведена процедура ДНК-идентификации с привлечением ДНК его родственника по мужской линии, выделенной из биологических следов на конверте письма 1947 года по розыску Питера, адресованного в Красный Крест. Останки были идентифицированы и перезахоронены с почестями (van Kooten et al., 2013). Аналогичным образом с применением ДНК-анализа Y-хромосомы потомков было идентифицировано захоронение узника на территории Петропавловской крепости.

Наиболее ярким примером применения маркеров Y-хромосомы в целях криминалистики служит установление личности террориста-смертника, устроившего взрыв в аэропорту «Домодедово». Определение гапло-группы Y-хромосомы в биологическом образце, полученном в аэропорту, позволило установить географический регион происхождения лица, а в дальнейшем идентифицировать террориста (Боринская и др., 2020).

В настоящее время маркеры Y-хромосомы изучают в криминалистике в отношении особо тяжких преступлений. Биологические следы изымаются на месте преступления либо с тел жертв, например изнасилований. Молекулярно-генетические методы представляют собой инструментарий, который помогает в раскрытии преступлений. Интересно, что даже следы животных на месте преступления зачастую служат ключом в раскрытии преступления, так как анализ ДНК позволяет идентифицировать конкретное животное. Например, шерсть собаки, обнаруженная на месте преступления, может привести к обнаружению ее хозяина, который имеет отношение к совершенному преступлению.

С использованием сохранившихся биологических следов с мест преступления на основе современных молекулярных технологий были раскрыты некоторые преступления, совершенные еще до их появления.

С применением методов исторической ДНК-идентификации идентифицированы останки царской семьи. С помощью коротких фрагментов, содержащих микросателлиты, проведены исторические идентифи- кации останков известных личностей, например Моцарта, Шиллера, Гайдна. На территории бывшей Югославии осуществлена ДНК-идентификация жертв недавней войны.

В XXI веке анализ гаплогрупп Y-хромосомы принял массовый характер – миллионы людей, интересующихся этнотеррито-риальным происхождением своих предков, установлением возможного родства с однофамильцами, сдали свои биологические образцы в коммерческие лаборатории и в результате пополнили знания о своей родословной. Этот метод можно обозначить как метод генетической генеалогии.

Очевидно, что однофамильцы мужского пола в превалирующем числе случаев являются носителями одинаковой Y-хромосомы, за исключением носителей с наиболее широко распространенными фамилиями, которые могли возникать в истории человечества многократно (например, Кузнецов в России или Smith в Западной Европе и США).

Таким образом, современные ДНК-технологии по изучению генома человека, включая Y-хромосому, позволяют решать важные социальные проблемы, востребованные обществом.

Анализ распространения гаплогрупп Y-хромосомы в различных районах мира

В связи с тем что молекулярно-генетические маркеры в нерекомбинирующей области Y-хромосомы, происходящие в ней мутации (спонтанно возникающие замены в ДНК) – однонуклеотидные полиморфизмы наследуются единым блоком, существует классификация гаплогрупп Y-хромосомы – совокупности разнообразных вариантов. Конкретные гаплогруппы возникли в определенных географических регионах, а уже оттуда распространились и продолжают распространяться в другие регионы. Особенности географического распространения вариантов Y-хромосомы в мировом пространстве хорошо изучены (Hammer et al., 1997). На рис. 1 показано распределение гаплогрупп в географическом пространстве Европы.

Так, например, при заселении американского континента из Сибири туда проникли только несколько гаплогрупп Y-хромосомы с превалированием гаплогрупп C и Q (Zegura et al., 2004), что предполагает ограниченный круг древних людей, проникших на новые территории.

Рис. 1. Особенности распространения основных гаплогрупп Y-хромосомы в Европе Источник: (Балановский, 2015).

Анализ изменчивости маркеров Y-хромосомы для изучения миграции, смешения популяций и датировки событий в истории расселения популяций человека в отдельных географических регионах На фоне нуклеотидных замен в конкретных позициях Y-хромосомы происходит постепенное накопление микросателлит-ных вариантов. Зная скорость спонтанных мутаций, которая примерно соответствует 10^-3 на сайт на поколение (несколько отличается для микросателлитов с различными субъединицами), можно вычислить время возникновения однонуклеотидной замены, сопряженной с соответствующей картиной вариабельности микросателлитов, которую можно охарактеризовать молекулярногенетическими методами. Так, например, с помощью такого подхода оценили время миграции населения в Америку: примерно c 10100 до 17200 лет назад (рис. 2).

Аналогичным образом и в других регионах мира определено время возникновения конкретных гаплогрупп Y-хромосомы, как крупных, так и более мелких гаплогрупп, производных от них (Semino et al., 2004).

Изучение гаплогрупп Y-хромосомы позволяет оценивать степень смешения между группами населения, различающимися по происхождению. Например, изучен уровень взаимопроникновения между основными группами населения США, представленными африканскими, европейскими, испанскими (испаноязычными), азиатскими группами (в основном китайцы и корейцы) и коренным населением Америки – американскими индейцами (Hammer et al., 2006).

Следует заметить, что изучение маркеров Y-хромосомы весьма эффективно для установления происхождения при смешении различных потоков населения, например, в Аргентине (Caputo et al., 2019), что отчасти сходно с ситуацией в генофондах мегаполисов.

Рис. 2. Заселение Америки. Гаплогруппы Y-хромосомы C3 и Q3 проникли на территорию Америки из Сибири

Обозначения (сверху вниз): коренное население Америки – американские индейцы, алеуты-эскимосы, на-Дене, коренные жители Северной, Центральной и Восточной Азии, европейцы. Стрелкой обозначено направление миграции. C3 и Q3 – гаплогруппы Y-хромосомы.

Источник: (Zegura et al., 2004).

На основе молекулярных маркеров мировое разнообразие Y-хромосомы человека в настоящее время довольно хорошо изучено (Hammer et al., 2001), варианты Y-хромосом представлены в базах данных (Purps et al., 2014; de Kniff, 2022).

Существенный интерес представляет изучение Y-хромосомы, расширяющее возможности по анализу событий на огромную временную глубину истории человечества. В частности показано, что резкое снижение разнообразия Y-хромосом – «бутылочное горлышко» – около 10 тысяч лет назад сопровождалось глобальными изменениями в культуре (Karmin et al., 2015). С помощью анализа Y-хромосомы в Иране уточнена история формирования населения и реконструированы древние миграционные пути (Grugni et al., 2012).

Таким образом, применение массового анализа Y-хромосомы позволяет не только углубиться во время, но и расширить возможности науки по синтезу знаний из различных областей, построению глубинных причинно-следственных связей.

Анализ распространения гаплогрупп Y-хромосомы в населении мегаполисов в связи с миграцией

Рассмотрим данный пункт в связи с особенностями распространения гаплогрупп Y-хромосомы в населении Москвы. Для всех мегаполисов характерны большой размер популяции, высокий уровень миграции извне, полиэтничный состав жителей. Воспроизводство генофонда населения в мегаполисе происходит в основном за счет миграции (Курбатова, Янковский, 2016).

Внешняя (центростремительная) миграция приводит к повышению генетического разнообразия жителей мегаполиса, особенно если мигранты происходят из отдаленных регионов с населением, сильно отличающимся от основного населения мегаполиса. Генетико-демографические параметры миграции в Москву были охарактеризованы в исследованиях, проведенных д-ром биол. наук О.Л. Курбатовой за период более полутора веков с привлечением анализа материа- лов переписей населения, архивов загс и данных анкетирования (Курбатова и др., 2013; Курбатова и др., 2021a).

Авторами изучены частоты гаплогрупп Y-хромосомы в трех поколениях жителей Москвы с применением современных молекулярных методов. Гаплогруппы Y-хромосомы определены с помощью интернет-предиктора на основе изучения 18 микросателлит-ных локусов из нерекомбинирующей области Y-хромосомы. В населении Москвы выявлены гаплогруппы Y-хромосомы R1a, R1b, E1b1b, N, T, I1, I2, J1 и J2 (Удина и др., 2022), что соответствует распределению этих гапло-групп среди русского населения (Балановская, Балановский, 2007). Проведение статистического анализа и анализа литературных данных о географическом распространении гапло-групп Y-хромосомы в населении России и сопредельных стран позволило установить спектр гаплогрупп Y-хромосомы, которые попадают в мегаполис с потоками мигрантов. Выявлено, что в более молодом поколении с более высокой частотой присутствуют гапло-группы, не характерные для исходного населения (С3, G2a, G2c, J1, J2, L, O2, O3, Q, R2 и T) и распространенные с максимальной частотой в регионах происхождения мигрантов (Удина и др., 2022). Таким образом, особенности динамики спектра и частотного профиля гаплогрупп Y-хромосомы в поколениях жителей Москвы согласуются с этнодемографи-ческими процессами, характерными для населения Москвы. Например, носители гапло-группы G2a происходят из регионов Кавказа, где она превалирует и у отдельных народов Дагестана достигает порога частоты в 70%.

Прогноз динамики частот отдельных гаплогрупп Y-хромосомы под действием миграционных процессов в мегаполисах

Как мы показали, частоты гаплогрупп Y-хромосомы в мегаполисах изменяются во времени. Задача прогнозирования динамики генофонда популяции под воздействием миграционных и других этнодемографиче-ских процессов актуальна для обеспечения демографической и генетической безопас- ности населения, особенно жителей мегаполисов. В понятие генетико-демографической безопасности входят устойчивое воспроизводство населения в поколениях и сохранение оптимального уровня генетического разнообразия популяции. Для обеспечения генетической безопасности следует осуществлять мониторинг угроз, создаваемых за счет не только привнесения в популяцию новых патогенов, но и увеличения генетического груза популяции в результате ослабления естественного отбора и привнесения не характерных ранее вариантов генов, которые могут обусловливать развитие патологий. Миграционные потоки в мегаполисах РФ настолько интенсивны, этнический состав мигрантов настолько разнообразен, что за 6–8 поколений генофонд популяции почти полностью обновляется (Курбатова, Янковский, 2016). Спектр и частоты маркеров ДНК-идентификации в популяциях могут изменяться во времени в результате неравномерного миграционного и естественного прироста этнических групп. Характер динамики необходимо учитывать в криминалистических экспертизах, в частности при создании популяционных референтных баз данных, которые нужны для оценки достоверности ДНК-идентификации (Цыбовский и др., 2017). В связи с этим при формировании баз данных по маркерам Y-хромосомы следует помимо молекулярногенетического анализа применять генетикодемографические методы, включая анкетирование жителей мегаполиса. Такая база данных для населения Москвы была создана (Курбатова и др., 2021b).

Авторами разработана оригинальная методика прогнозирования динамики генофонда популяции под воздействием миграционных процессов (Курбатова, Победоносцева, 2004). В популяционной генетике миграция рассматривается как один из основных факторов популяционной динамики, изменяющих уровень генетического разнообразия популяций. Поскольку мужская и женская миграции в мегаполис могут различаться по интенсивности и этнореги-ональному составу мигрантов, необходимо учитывать гендерные особенности миграционных потоков – для прогнозирования динамики частот маркеров, расположенных на Y-хромосоме, анализируют данные о миграции мужчин (количество прибывших и их этнический состав). Для каждого мегаполиса (популяции-реципиента) и каждого выбранного генетического маркера рассчитывается отдельный прогноз.

В общем виде динамика частоты гена в поколениях популяции, принимающей мигрантов, описывается формулой:

qt = (1 – m)t (qo – Q) + Q, где:

q t – частота гена через t поколений;

q o – исходная частота гена в популяции;

Q – частота гена у мигрантов;

m – коэффициент мужской миграции (доля мигрантов-мужчин в популяции).

Для расчета параметров миграции используют данные демографической статистики или данные анкетирования жителей, а информацию о частотах маркеров в популяции мегаполиса и в этнических группах, вносящих основной вклад в поток мигрантов в мегаполис, находят в соответствующих базах генетических данных. Прогноз, полученный в результате применения данного алгоритма, относится к категории долгосрочных генетико-демографических прогнозов, где единицей времени, в отличие от демографического прогноза, считается поколение (длина поколения для современного населения России берется равной 25 годам).

Прогноз может быть дан в нескольких сценариях, в предположении различной интенсивности миграционных процессов и различного этнотерриториального состава мигрантов, прибывающих в конкретный мегаполис.

В качестве примера приведем рассчитанный нами прогноз динамики частот гапло-групп R1a и J2 Y-хромосомы в поколениях жителей Москвы.

Гаплогруппа R1a преобладает у восточных славян, в частности у русских.

Рис. 3. Прогнозируемая динамика частоты гаплогруппы R1a Y-хромосомы в поколениях москвичей под воздействием миграции Источник: рассчитано авторами.

Поколения

Рис. 4. Прогнозируемая динамика частоты гаплогруппы J2 Y-хромосомы в поколениях москвичей под воздействием миграции Источник: рассчитано авторами.

Гаплогруппа J2 часто встречается у народов Северного Кавказа.

Для гаплогруппы R1a прогнозируется значительное, почти двукратное, уменьшение частоты за 10 поколений – от 0,45 до 0,24 (рис. 3). Особенно резкое уменьшение частоты гаплогруппы приходится на первые 6 поколений – от 0,45 до 0,25. Снижение частоты гаплогруппы R1a под воздействием миграционных процессов в крупных мегаполисах России ожидаемо, так как, за исключением белорусов и киргизов, у всех этнических групп, вносящих вклад в генофонд Москвы, частота R1a ниже или существенно ниже, чем в русском населении.

Согласно прогнозу, частота гаплогруп-пы J2 в мегаполисе вырастет в 7 раз за 10 поколений (рис. 4), так как у значительной части этнических групп мигрантов частота гаплогруппы J2 заметно выше, чем у русских. Самая высокая частота отмечена у чеченцев (0.56) и ингушей (0.59).

Эти данные убедительно показывают, что частоты маркеров Y-хромосомы в мегаполисах могут значительно измениться за несколько поколений и даже заметно различаться в одновременно живущих возрастных группах. Для населения Москвы характерно увеличение частот «южных по происхождению» гаплогрупп Y-хромосомы, привносимых мигрантами из регионов их происхождения, что соответствует данным о миграционных потоках в столицу. В связи с этим для повышения надежности ДНК-идентификации в криминалистике базы данных нуждаются в постоянном обновлении и актуализации из-за интенсивного притока мигрантов и сопутствующего изменения этнического состава населения мегаполиса.

Заключение

В заключение следует отметить, что применение современных ДНК-технологий способствует решению важных естественнонаучных и социальных проблем. Прикладные аспекты новейших ДНК-технологий позволяют решать насущные потребности современного общества: проведение ДНК-идентификаций, исторических реконструкций, установление происхождения, отцовства и родства. Анализ маркеров Y-хромосомы весьма информативен при решении перечисленных проблем в историческом времени и географическом пространстве. Анализ маркеров Y-хромосомы эффективно применяется для прослеживания потоков мигрантов в мегаполис и прогноза динамики частот в поколениях населения мегаполиса для создания актуальных популяционных референтных баз данных.