Съдържание
- Генетично изследване на митохондриалната ДНК
- Дърво на митохондриалните групи
- mtDNA хаплогрупи – срещани в Европа
- Голямото българско изследване – митохондриална ДНК
- Първи пробив с нови клонове при MtDNA Build 16
- Genbank – Какво още може да се направи с резултата от пълната митохондриална секвенция
Графично представяне на митохондриалната ДНК с обозначени гени
Цитат от Wikipedia:
За разлика от преобладаващата част от клетката, чиято функция се определя от ядрената ДНК, митохондриите имат своя собствена ДНК и се смята, че са еволюирали отделно. Човешката мтДНК се състои от 16 569 базови двойки с 37 гена (13 белтъка, 22 транспортни РНК и две рибозомни РНК), които осигуряват производството на белтъчини, необходими за клетъчното дишане. Много по-голям брой от белтъчините в митохондриите (около 1500 при бозайниците) обаче се кодират от ядрената ДНК, като се предполага, че са преминали в нея чрез еволюция.
мтДНК обикновено се предава само от майката при полово размножаване (митохондриална генетика), което означава, че митохондриите са клонове. Това означава, че мтДНК се променя много малко от поколение на поколение за разлика от ядрената ДНК, която се променя с 50% с всяко следващо поколение. Тъй като по тази причина скоростта на мутациите е лесна за измерване, мтДНК е мощно средство за проследяване на произхода по майчина линия и се използва за проследяване на хиляди поколения в миналото при много биологични видове [1].
Митохондриална ДНК (съкращение mtDNA) се предава от майката на детето, независимо от пола на детето. Лице от мъжки пол не предава митохондриална ДНК, при оплождането на яйцеклетката митохондриалната ДНК на сперматозоида не участва.
Митохондриалната ДНК е от 16569 позиции (алели). При пълно изследване се идентифицира всяка една от тези позиции – A,G,T,C.
Митохондриалната ДНК е лесна за секвениране, защото е само от 16569 позиции, докато всички останали хромозоми са с няколко милиарда позиции. Например, Y хромозомата, която е съществено по-малка от другите хромозоми едва през 2013г беше предложен на пазара тест за пълно секвениране с цена от 1300 щатски долара от Full Genomes Sequences, което беше дъмпингова цена на пазара. Секвенирането на митохондриалната ДНК се предлага на пазара от много години, определено преди 2009г.
Както при Y хромозомата така и митохондриалната ДНК са налице хаплогрупи. При митохондриалната ДНК тя се определя на база мутации, които са стабилни и изключително редки в определени позиции на ДНК. (Хем са мутации, хем са стабилни?! – Да наистина е възможно подобно определение – стабилни са, защото веднъж настъпили то те се предават през десетки поколения преди да настъпи следващата мутация).
Генетично изследване на митохондриалната ДНК
Възможни са няколко вида частични и пълно изследвания.
Пълното изследване покрива следните региони:
- HVR1,
- HVR2 и
- кодиращ регион.
HVR e съкращение от hyper – variant region – т.е. силно променлив регион.
Името е подвеждащо, защото бихте очаквали промени от поколение на поколение, но ….. Той е силно променлив, защото настъпва мутация средно на 400 години, докато в слабо променливия регион – т.е. кодиращия регион промени стават на 1600 години.
Частичните изследвания само на регион HVR1 и /или HVR2, без кодиращ регион не са препоръчителни, защото остава неоткрита голяма част митохондриалната ДНК и се открива само горното ниво на хаплогрупата.
На първата фигура в текста – Графично представяне на митохондриалната ДНК с обозначени гени – може да се види оцветен в червено регион HVR 1 &HVR2, който представлява една малка част.
Вече на база на пълното разчитане (секвениране),използват се различни съкращения за този тип тестове – FGS, Full mito, full sequence, може да се определи максимално детайлната хаплогрупа и хаплотип на тествания.
Тестове за митохондриална ДНК на FTDNA
Дърво на митохондриалните групи
През 2008г. Маннис Ван Оуен, професор от катедрата по Криминална Молекулярна Биология от Университетския Медицински Център на Университета Еразъм в Ротердам (Department of Forensic Molecular Biology, Erasmus MC, University Medical Center Rotterdam) публикува и поддържа актуално дървото на митохондриалните групи.
Дървото може да бъде намерено в електронен вариант на следната страница – http://www.phylotree.org/.
Последната версия на дървото е BUILD 17 от февруари 2016г. Тази версия беше изключително наложителна и нетърпеливо чакана, защото в един момент от потребителските тестове се натрупаха резултати, подаваха се в Genbank, глобална референта база за подобни секвенции.
FTDNA дълго време работи с BUILD 14 от 2012г. , като и отне близо година да премине на новата версия BUILD 17.
На това дърво, с mt-MRCA в горен ляв ъгъл е обозначен най-стария общ прародител на всички човеци на земята по пряка женска линия. Ще ви запозная и с различните резултати в моето дърво в различни публикации по хаплогрупи. Всички от китовете, които управлявам попадат под клона на R, с изключение на един кит под N.
mtDNA хаплогрупи – срещани в Европа
Това дърво представя най-често срещаните хаплогрупи в Европа. Не е изчерпателно, но е добро за въведение в темата. Постоянно се появяват все по-нови и нови, за пример – подгрупите на H вече са номерирани до H100, както и вече представените тук имат разклонения, които допълнително разширяват многообразието на дървото.
Съществуват различни теории за разпространението на земеделието – дали се е разпространило благодарение на миграциите на самите земеделци или пък ловците и събирачите са възприели земеделието от пришълците земеделци и са го разпространили по-нататък. Въз основа на генетичните изследвания на антични кости все повече се утвърждава, че земеделието в Европа се е придвижвало със темповете на придвижване на самите земеделци.
На фигурата са оцветени в различен цвят различните култури, както и годините на възникване на земеделието в съответния регион. На Балканите според професор Бургер то се появява преди 6200 – 6000 години [4]
В голяма степен разпространението на хаплогрупите в Европа е претърпявало различни катаклизми и се е променяло.
На фигура 5 по-долу може да се проследи промяната в относителния им дял
В голяма степен разпространението на хаплогрупите в Европа е претърпявало различни катаклизми и се е променяло.
На фигурата по-долу може да се проследи промяната в относителния им дял
Връзката на определени хаплогрупи с ловците – събирачите или със земеделците е на база генетични изследвания на стари кости и датиране на самите костите, археологическия слой в който са намерени и т.н.
Горната схема е част от научна публикация относно извършени генетични анализи на „стари кости“, генетичен анализ на кости открити при археологически разкопки. (Ancient DNA Reveals Key Stages in the Formation of Central European Mitochondrial Genetic Diversity, October 2013) [5]
Със сив цвят са обозначени хаплогрупите на ловците и събирачите – U, U4, U5 и U8
С кафяв цвят са отбелязани хаплогрупите на заселниците през Ранния и Среден Неолит – N1a, T2, K, J, HV, V, W, X
С жълт цвят са отбелязани хаплогрупите на заселниците през Късния Неолит – I, U2, T1, R.
От графиката е видно, че през различните епохи, в следствие на миграциите и притоците на нови народи в Европа от Близкия Изток и от степите на Азия е било променяно съотношението в митохондриалните групи, за да се достигне до съотношението в 21 век, където превес имат хаплогрупите от Ранния и Среден Неолит спрямо останалите.
По х-координата в горната част са нанесени годините, а в долната са обозначени различните видове / стилове керамика датирани от съответния период.
За владеещите английски език препоръчвам Ancestral Journeys – The peopling of Europe from the first Ventures to the Vikings от Jean Manco, издадена през 2013г. Жан Манко e завършила университети в Плимут и Бристол, building historian, коетобих превела като историк със профилиране по история на архитектурата – сградите. Има значителен брой публикации в тази област относно средновековни сгради и замъци, средновековни градски планове и други, преди да се отдаде на интереса си към генетиката, лингвистиката и предисторията на Европа.
Голямото българско изследване – митохондриална ДНК
В резултат на „Голямото българско изследване“, проект в който са взети проби от близо 1000 индивида от редовни военнослужещи от Българската Армия, са направени две по-значими публикации – една за митохондриалните хаплогрупи на съвременните българи, както и за хаплогрупите на Y-хромозомата.
Публикацията относно митохондриалните групи е под заглавие Bulgarians vs the other European populations: a mitochondrial DNA perspective, публикувана през 2011г. [6].
Според това изследване разпределението на хаплогрупите сред съвременните българи е следното:
| Общо изследвани: | 996 |
| H* | H5 | HV0 | HV | R0a | J | T1 | T2 | ||
| 380 | 33 | 35 | 39 | 6 | 77 | 46 | 59 | ||
| U1 | U2e | U3 | U4 | U5a | U5b | U6 | U7 | U8 | U* |
| 13 | 10 | 21 | 39 | 45 | 25 | – | 7 | 4 | 3 |
| K | N1 | N2 | X | M | L | Други | |||
| 59 | 27 | 25 | 20 | 11 | 4 | 8 |
Митохондриални групи в Голямото Българско изследване [6]
Тук следва да се отбележи подхода в изследването – не е правено пълно секвениране на митохондриалната ДНК, а са отчетени само отделни позиции, които дефинират съответните търсени групи. Целенасочено е отделена хаплогрупа H5 от H, както и за хаплогрупа U са търсени под-групите. В хаплогрупа H* са всички под-групи, включително и H13, H4, H6, които се срещат в нашето родословно дърво. Считам, че е недостатък, че не са направили по-детайлно изследване в частта на хаплогрупа H, защото различните подгрупи имат различно време на появяване и различни миграционни карти.
Също така, това изследване не е регистрирало хаплогрупа W. В българския проект още към 2014г. имше 4 W резултата. Дори един от моите китове е W1i, има още 3 W1c, всичките подадени в Genbank.
Долната графика е се базира на данни на цитираното изследване.
Все повече и повече популационни изследвания се публикуват, както и все повече антични кости се изследват. Пред изследването на стари кости има значителни препятствия – като замърсяване на пробите, не достатъчен материал, разрушаване на генетичния материал в следствие на средата където е стоял през вековете. На база резултатите от изследването на съвременните народи и старите кости, може да се правят антропологични и други заключения, включително и за произхода на определени племена или народности.
Съпоставяйки хаплотиповете на изследваните лица с научни публикации, както и в контекста на българската история, в един момент биха могли да са направят изводи относно произхода на българите, и на отделните лица като цяло.
Става възможно откриването на прилики, както и разлики с другите балкански и европейски нации.
Първи пробив с нови клонове при MtDNA Build 16
На 20.02. 2014 година беше публикувано дърво с нови разширения. То се изготвя на база на научни публикации и на индивидуално внасяне в глобалната база данни на митохондриални секвенции Genbank.
Мога да се похваля, че благодарение на нашите изследвания има три нови групи.
Първото ново разклонение е в моята хаплогрупа. Един от двамата ми съвпаденци A. N. E. българин, който е на 1 генетично разстояние от мен, подаде своята секвенция в Genbank. Неговата и още една, внесена през 2011г. дефинират нова група H13a1c.Аз попадам под това разклонение. Благодарение, че има взет тест – пълно секвениране на митохондриалната ДНК със всяка промяна на дървото моят сертификат във FTDNA се актуализира, докато в 23andMe, резултатът остава непроменен, защото е чип тест на предварително подбран набор от снипове.
Второто ново разклонение по стечение на обстоателствата пак е под H13a1. Секвенцията на мои кит Р.В. и още една, от публикация от 2007 г. – Origin and Expansion of Haplogroup H, the Dominant Human Mitochondrial DNA Lineage in West Eurasia: The Near Eastern and Caucasian Perspective [15], под номер Tabasaran #6, дефинират нова подгрупа H13a1d.
Макар и първоначално да сме били и двамата дефинирани от една и съща под група, ние не бяхме съвпаденци, да напомня, че за съвпадение се счита не повече от три мутации разлика, беше само въпрос на време да се разделим в отделни подгрупи. Но това нямаше да е възможно ако не бяхме подали секвенции в Genbank!
Тук е място за едно голямо възклицание! В България (към 2014г.) имаме две различни групи на H13a1. И то са отрити благодарение на моите начинания! Ех, как сама се хваля! Към юни 2019г. има подадени в Genbank 8 български секвенции от H13a, неподадените не са видими за научната общност.
Секвенцията на Н.Б. – H4a1 също е взета в предвид. Явно мутацията при нея е толкова специфична, че не чакаха да се появи още една аналогична секвенция, а базирано само на нея дефинираха нов клон – H4a1c2.
Genbank – Какво може да се направи с пълната секвенцията на митохондриалната ДНК
Получаването на резултата за пълна секвенция на митохондриалната ДНК не е краят. Съществуват научни бази данни за секвенции ДНК, които служат като библиотека за научните работници. Всеки научен работник, който като част от публикацията извършва секвенции е длъжен да публикува секвенциите в тази база данни. Вече е стандартна практика когато се подготвя публикация да се направи преглед на секвенциите в базата данни и тези, които имат отношение да бъдат включени в анализа. Например при изследването на митохондриалната ДНК на съвременните иранци, в допълнение на секвенциите от самото проучване, в разработката на филогенетичното дърво на хаплогрупа H13 бяха включени и всички публикувани до определен момент данни от Genbank. За съжаление моята и на Р.В. бяха публикувани след излизането на публикацията за преглед и обсъждане.
Една от тези бази данни е GenBank –
GenBank ® is the NIH genetic sequence database, an annotated collection of all publicly available DNA sequences (Nucleic Acids Research, 2013 Jan;41(D1)Big Grin36-42). GenBank is part of the International Nucleotide Sequence Database Collaboration , which comprises the DNA DataBank of Japan (DDBJ), the European Molecular Biology Laboratory (EMBL), and GenBank at NCBI. These three organizations exchange data on a daily basis.
Филогенетичното дърво на митохондриалната ДНК е публикувано за първи път през 2008 и в последствие поддържано от Маннис Ван Оуен, професор от катедрата по Криминална Молекулярна Биология от Университетския Медицински Център на Университета Еразъм в Ротердам (Department of Forensic Molecular Biology, Erasmus MC, University Medical Center Rotterdam) .
Дървото може да бъде намерено в електронен вариант на следната страница – http://www.phylotree.org/
Версия 16 (BUILD 16) на дървото е от 19-02-2014г. и е базирана на 20666 пълни секвенции в световен мащаб. Периодично Маннис Ван Оуен издава нова версия на филогенетичното дърво, като за целта отправна негова точка е базата данни от пълни секвенции. Публикувана секвенция в GenBank е видима за научната общност и ще доведе до развитие на дървото. Ако разгледате дървото, то ще видите, че срещу всяка хаплогрупа стои код – комбинация от букви и цифри. Това е номерът на съответната секвенция в базата данни. Нова, интересна секвенция може да доведе до развитие на дървото.
Версия 17 (BUILD 17) е от 18-02-2016г. , и базирана на 24 275 пълни секвенции.
Добрата практика е секвенции целево изследвани от от Секвенции в базата данни се приемат с научни публикации, но и от директно вписване – direct submisiion. Публикацията на секвенцията е анонимно, но се посочва FTDNA кода на кита с цел уникалност и не дублиране на секвенции.
Към пролетта на 2019 има 150 секвенции от територията на България, включително и 25 от стари кости. Влизам в контакт с всеки член на проекта, който е направил тест за пълна митохондриална секвенция, за да го помоля да подаде секвенцията си в Genbank. Защо е толкова важно? Не само заради развитие на дървото, а защото данните от тази база се използват за сравнителен анализ в научни публикации.
В проекта имаме 5 секвенции от различни клонове на H11 , без нито една да е публикувана в Genbank. Наскоро имаше публикации за стари кости от Капидава Mitochondrial ancestry of medieval individuals carelessly interred in a multiple burial from southeastern Romania , където има открита проба с H11a1. За съжаление никакъв сравнителен анализ не може да се направи, защото българските проби са невидими за научната общност!
Обръщам се към всеки направил тест за пълно секвениране на митоходриална ДНК – моля ви, подавайте секвенцията си в научната база данни! Няма какво да загубите , но ще спечели българската популационна генетика!
Цитирани източници
[1] „Митохондриална ДНК,“ Wikipedia, [Онлайн]. Available: http://bg.wikipedia.org/wiki/Митохондриална_ДНК. [Отваряно на 10 2013].
[2] M. van Oven и Kayser, „Updated comprehensive phylogenetic tree of global human mitochondrial DNA variation,“ Hum Mutat, том 30, № 2, pp. E386-E394.
[3] Macciamo, „Distribution of European mitochondrial DNA (mtDNA) haplogroups by region in percentage,“ [Онлайн]. Available: http://www.eupedia.com/europe/european_mtdna_haplogroups_frequency.shtml. [Отваряно на 24 12 2013].
[4] J. Burger, „The early Europeans (Neolithisation),“ [Онлайн]. Available: http://www.uni-mainz.de/FB/Biologie/Anthropologie/MolA/English/Research/Neolithisation.html. [Отваряно на 30 12 2013].
[5] G. Brandt и W. Haak, „Ancient DNA Reveals Key Stages in the Formation of Central European Mitochondrial Genetic Diversity,“ Science, pp. Vol. 342 no. 6155 pp. 257-261, October 2013.
[6] S. Karachanak и V. Carossa, „Bulgarians vs the other European populations: a mitochondrial DNA perspective,“ International Journal of Legal Medicine, том 126, p. 497–503, 2012.