6.2.1.7. Естественный отбор и история популяций: НbЕ и β-талассемия 1)

Часто обсуждается вопрос о том, как использовать генетические данные (например, по частотам полиморфных генов) для получения выводов относительно истории популяций и сходства между ними. Рассматриваемый ниже пример показывает, как для решения этого вопроса можно сочетать различные методы популяционного анализа с лингвистическими и историческими данными. Кроме того, этот пример демонстрирует важность моделирования на ЭВМ для популяционно-генетических исследований.

Взаимодействие в популяции двух генов, кодирующих аномальные формы гемоглобина. Аллисон высказал предположение, что в областях, где одновременно присутствуют два гена, кодирующие аномальные формы гемоглобина и взаимодействующие таким образом, что против носителей соответствующих аллелей обоих локусов действует отбор, будет наблюдаться тенденция к взаимному исключению этих генов.

В качестве иллюстрации этой проблемы рассмотрим взаимодействие генов, кодирующих НbЕ и талассемию, в популяциях Юго-Восточной Азии [1760]. Гомозиготность по талассемии была описана в разд. 4.3. Гомозиготность по НbЕ вызывает гемолитическую анемию, протекающую в гораздо более легкой форме, чем анемия, возникающая у гомозигот по HbS. Для большой β-талассемии (анемии Кули) характерны тяжелый гемолиз и пониженный синтез гемоглобина. Большинство двойных гетерозигот по β-талассемии и НbЕ (болезнь талассемия—НbЕ) страдают выраженной хронической анемией, приближающейся по тяжести протекания к анемии Кули. Гены, кодирующие варианты Нb β-цепи, такие как НbЕ и β-талассемия, сцеплены так тесно (разд. 4.3.4) в транс-положении, что их можно рассматривать как аллели.

Распространение НbЕ и β-талассемии. Максимальная частота НbЕ в Юго-Восточной Азии

¹⁾ Для понимания последующих рассуждений данный раздел не обязателен.

6. Популяционная генетика 321

зарегистрирована среди кхмероязычного населения Северной Кампучии и прилежащих к ней районов северо-восточного Таиланда; здесь частота этого гена может достигать 0,3, что соответствует частоте гетерозигот 42%-одной из самых высоких частот, когда-либо достигнутых по гемоглобинопатии. В других областях Таиланда, на Малайском полуострове и в Индонезии, эта частота гораздо ниже. НbЕ встречается также в Китае, Ассаме и Бенгалии (рис. 6.19). Общее число носителей данного гена, возможно, составляет около 20 млн. Аллели β-талассемии встречаются в этих же областях, однако они распространены гораздо шире.

НbЕ и малярия. После выявления ассоциации между HbS и тропической малярией поддержание полиморфизма по другим формам гемоглобина было логично объяснить сходным образом. Попытка проверить эту гипотезу прямо не увенчалась успехом. В популяциях, которые необходимо было для этого изучить, отсутствовало медицинское наблюдение. Проблема осложнялась и тем, что в этих популяциях отсутствовали другие защитные генетические механизмы, например талассемия и дефицит G6PD. Тем не менее было высказано предположение о защитном действии аллеля НbЕ у гетерозигот и гомозигот. При сравнении географического распространения НbЕ и малярии надо иметь в виду, что на территории материковой Юго-Восточной Азии основным переносчиком этой болезни является лесной комар Anopheles minimus, обитающий в холмистых и горных местностях. Поэтому распределение малярии в этом регионе противоположно ее распределению в странах Средиземноморья, где важнейшие переносчики - комары, размножающиеся в болотах и засоленных водоемах. В Юго-Восточной Азии малярия-болезнь холмов и лесов. Действительно, именно в этих областях частота НbЕ наиболее высока [1762].

Приспособленность генотипов НЬЕ и талассемии: проблема генетического равновесия. Каковы условия изменения генных частот в такой системе из трех аллелей (HbPA, HbβE, HbβT)? Для ответа на этот вопрос необходимо оценить величину приспособленности (т. е. селективное преимущество или невыгодность) генотипов. Исходя из генных частот в ядерной кхмерской группе и клинических проявлений анемии у гомозигот по НbЕ, были получены следующие значения приспособленности:

Рис. 6.19. Популяции, где отмечено наличие НbβЕ [1760]. Темным цветом выделены регионы с высокой частотой; серые участки соответствуют областям с умеренной частотой; участки, отмеченные точками - одиночные случаи обнаружения HbβE.

322 6. Популяционная генетика

где w - приспособленность генотипа относительно средней приспособленности популяции, asкоэффициент отбора (по определению s = 1 — w). При селективной благоприятности генотипа, как в случае .s_AE, величина .s будет отрицательной. Гены, определяющие Hbβ A-, Нbβ Е- и Нb β-талассемию, для простоты обозначены буквами А, Е и Т.

Возможно ли в таких условиях генетическое равновесие? В отличие от случая двух аллелей, описываемого уравнением (6.6), селективное преимущество гетерозигот в трехаллельной системе не обязательно приводит к возникновению стабильного генетического равновесия. Для поддержания стабильного равновесия необходимо выполнение следующих четырех условий:

Вывод этих формул, который мы здесь не приводим, получен Пенроузом (Penrose et al., [1848]).

На основании данных по приспособленности трех генотипов можно сделать следующие выводы: условие 1, селективная невыгодность гомозигот, в рассматриваемой системе удовлетворяется; условия 2 и 3 могут удовлетворяться при определенном, достаточно вероятном сочетании данных; с другой стороны, условие 4 (т. е. то, что произведение селективных ценностей двух гомозигот должно превышать квадрат селективной ценности двойной гетерозиготы) выполняется только при очень маловероятных сочетаниях коэффициентов отбора. Интенсивность отбора против двойной гетерозиготы по сравнению с гомозиготой Е/Е, вероятно, слишком высока для того, чтобы установилось равновесие, тем более стабильное. Этот вывод в большой степени не зависит от величины преимущества гетерозигот, значение которого может варьировать в зависимости от уровня контакта с малярией и основан на проявлениях заболевания, связанных с генотипами HbβE/E, HbβE/Т, НbβТ/T. Однако приспособленность этих двух гомозигот и двойной гетерозиготы очень мало зависит от условий среды.

Каковы будут распределения частот генов Нb β Е и Нb β Т (q_E и q_T) в различных группах популяций при стабильном или полустабильном равновесии по сравнению со случаями нестабильного равновесия или отсутствия равновесия? При стабильном равновесии точки распределения, соотетствующие паре значений q_E, q_T в двумерной системе координат, группируются вокруг некоторой точки равновесия. Если равновесие полустабильное, кластеризация точек уменьшается; после нарушения равновесия точки распределения не обязательно возвращаются к той же точке равновесия, что и раньше, а, как показал Пенроуз [1848], могут вернуться к некоторой точке, лежащей на прямой линии, связывающей независимые точки равновесия Нb β Е и Hb β T (когда присутствует только один аллель).

Реально полученное распределение [1760] указывает на отсутствие в системе стабильного или полустабильного равновесия. Это означает, что при совместном существовании в популяции аллелей Hb β E и Hb β T их частоты обнаруживают тенденцию к падению ниже точки равновесия. Причиной этого реципрокного эффекта является сильное давление отбора против двойной гетерозиготы.

Динамика Hb β E и Hb β T в популяциях. Если популяция не находится в состоянии равновесия, с какой скоростью и в каком направлении будут изменяться частоты генов? Или - если взглянуть на этот вопрос с точки зрения истории популяции - каким образом было достигнуто наблюдаемое в настоящее время распределение генных частот? В предыдущих разделах для некоторых частных случаев выведены формулы, описывающие изменения генных частот от поколения к поколению (Δq). Сходным образом можно получить выражения для изменения генных частот в поколениях в трехаллельной системе. Таким образом удается проанализировать скорость изменения генных частот при различных интенсивностях отбора. В прежнее время, когда еще не было вычислительной техники, эту задачу нельзя было решить из-за огромного объема числовых расчетов, теперь она решается легко.

Некоторые примеры приведены на рис. 6.20-6.23. На рис. 6.20 показана ситуация, когда аллель Е вводится в популяцию, где с высокой частотой присутствует аллель Т. Обе гетерозиготы А/Е и А/Т обладают высоким селективным преимуществом: аллель Е вытесняет аллель Т. Если селективное преимущество гетерозигот А/Е ниже, то существует некоторая его критическая величина, ниже которой аллель Е уже не может вытеснить аллель Т. Даже в том случае, когда это вытеснение происходит, его скорость сильно зависит от начальной частоты аллеля Е. Если значения приспособленности те же, а начальная частота аллеля Е высока, аллель Т не вытесняет аллель Е (рис. 6.21). Если приспособленность гетерозигот А/Е намного ниже, чем гетерозигот А/Т, Т может вытеснить Е (рис. 6.22). Если начальные частоты обоих аллелей А и

6. Популяционная генетика 323

Рис. 6.20. А. Вытеснение аллеля НbβT аллелем HbβE; высокая приспособленность гетерозигот HbβA/E и HbβA/T; моделирование сильного отбора. Принятые значения приспособленности: А/А 1,0; А/Е 1,225; АД 1,2; Е/Е 0,7; Е/Т 0,25; ТД 0. Отметим, что НbЕ вытесняет талассемию. Б. Вытеснение аллеля НbβТ аллелем HbβE; приспособленность НbβА/Т ниже, чем в случае (А). Значения приспособленности: А/А 1,0; А/Е 1,15; А/Т 1,125; Е/Е 0,8; Е/Т 0,25; ТД 0 [1760].
	Рис. 6.21. Элиминация НbβT при значениях приспособленности, сходных со случаем, приведенным на рис. 6.18, но при высокой начальной частоте HbβE. А/А 1,0; А/Е 1,1; АД 1,125; Е/Е 0,7; Е/Т 0,4; ТД 0,0 [1760].
Рис. 6.22. Вытеснение аллеля HbβE аллелем HbβT; приспособленность Hbβ/E/E высокая, а HbβA/E низкая. Значейия приспособленности: А/А 1,0; А/Е 1,033; АД 1,125; Е/Е 0,0; ЕД 0,25; Т/Т 0 [1760].	Рис. 6.23. Начальные частоты аллелей HbβE и НbβТ низкие; частота HbβE увеличивается до равновесной; частота НbβТ вначале возрастает, а затем падает до 0. Значения приспособленности: А/А 1,0; А/Е 1,0; АД 1,125; Е/Е 0,75; ЕД 0,25; ТД 0 [1760].

Т низки (т. е. оба они вновь вводятся в популяцию), вполне вероятно, что Е вытеснит Т, даже если селективное преимущество по отношению к гомозиготам А/А имеют только гетерозиготы АД, а не гетерозиготы А/Е (рис. 6.23).

Релаксация отбора. Возможно, что в будущем малярия в Юго-Восточной Азии будет искоренена. Тогда селективное преимущество гетерозигот АД и А/Е исчезнет, но отбор против гомозигот Е/Е и ТД и гетерозигот ЕД сохранится. Каковы будут последствия этого для аллелей Е и Т?

Две подобные ситуации показаны на рис. 6.24. В первом случае частота Т очень низка (как

324 6. Популяционная генетика

Рис. 6.24. А. Моделирование условий Северного Таиланда при предполагаемом ослаблении отбора. А/А = А/Е = А/Т = 1,0; Е/Е = 0,7; Е/Т = 0,25; Т/Т = 0. Б. Ослабление отбора в условиях, обнаруженных в областях бассейнов рек. А/А 1,0; А/Е 1,0; А/Т 1,0; Е/Е 0,7; ЕД 0,25; Т/Т 0.

в северо-восточном Таиланде), во втором частоты Е и Т более сходны (как в центральном Таиланде). В обоих случаях наблюдается довольно быстрое - особенно в начале процесса - уменьшение частоты обоих аллелей. Падение частоты аллеля Е достигает такого порядка величины, что его можно выявить при сравнении выборок достаточного размера из двух разных популяций.

Приложение этих результатов к истории популяций Юго-Восточной Азии. Генные частоты, наблюдаемые в популяциях в настоящее время, являются результатом не только давления отбора, но и демографических процессов в популяциях. Говоря конкретнее, если в двух разных популяциях адаптация к условиям внешней среды произошла различным образом (например, в одной популяции адаптация к малярии была достигнута за счет НbβЕ, а в другой - за счет талассемии) и если эти механизмы являются в какой-то степени взаимоисключающими, то сравнение генных частот и известных фактов истории этих популяций может пролить свет на их генетические взаимоотношения.

Данных о неолитической культуре Юго-Восточной Азии имеется немного. Можно выделить три стадии общественного развития. Каждой из них соответствовала определенная экологическая ситуация.

1. Группы охотников и собирателей. Судя по существующим в настоящее время популяциям, находящимся на приблизительно такой же ступени развития, они обитали в лесах, расположенных на склонах холмов и гор. Если предположить, что распространение малярии в то время было сходно с теперешним, группы охотников и собирателей должны были испытывать ее интенсивное воздействие. Несмотря на это, условия распространения для гена, имеющего преимущество в гетерозиготном состоянии, были неблагоприятными из-за маленького эффективного репродуктивного размера популяций и низкой вероятности генного обмена между ними; в большинстве случаев даже благоприятные мутации в конечном счете элиминировались из популяции (разд. 6.4).

2. Приблизительно в 1000 г. н. э. с началом культивирования риса на орошаемых землях возникла социальная организация на уровне деревень. Большая часть поселений располагалась по периферии долин. При подобной социальной организации условия распространения гена, который поддерживался в популяции благодаря его защитным свойствам против малярии, были очень благоприятными. Период времени продолжительностью 3000 лет (или 120 поколений, если принять продолжительность поколения за 25 лет) достаточен для того, чтобы гены Hb β Т и Hb β E достигли частот, наблюдаемых в настоящее время (см. рис. 6.24).

3. В настоящее время большая часть населения стран Юго-Восточной Азии обитает в бассейнах и дельтах больших рек, которые в доисторические времена почти не были заселены. Социальные и политические события исторического времени привели к развитию равнинного земледелия. Между тем благодаря экологическим особенностям своего переносчика Anopheles minimus малярия в этой области редко встречается в равнинной местности. Следовательно, миграция населения на сравнительно свободные от малярии равнинные территории должна привести к значительному ослаблению отбора против гомозигот Hb β А и уменьшению селективного преимущества гетерозигот Hb β Е и Hb β Т. Действительно, гены HbβE и HbβT реже встре-

6. Популяционная генетика 325

чаются у населения равнин, нежели у жителей соседних гористых территорий.

Сравнение с Hb β S Западной Африки. В Западной Африке основными переносчиками малярии являются комары, требующие для своего размножения открытого пространства и стоячих водоемов. Вероятно, ген серповидноклеточности появился в Западной Африке в эпоху неолита одновременно с подсечно-огневым земледелием. Благодаря такому способу ведения сельского хозяйства в этом районе Африки, там появились благоприятные для размножения комаров открытие участки земли, что в свою очередь вызвало распространение гена серповидноклеточности и установление полиморфизма по этому гену.

Таким образом, сходные тенденции развития земледелия в двух разных популяциях при различных экологических потребностях переносчиков малярии привело к тому, что на равнинах Африки установился полиморфизм по Hb β С, а на холмах Юго-Восточной Азии – полиморфизм по Hb β Е.

Гемоглобин β E в популяциях, принадлежащих к южноазиатской (мон-кхмерскоп) языковой группе. Южноазиатская языковая группа включает в себя кхмерский язык (Кампучия), племенные языки Вьетнама, язык мон в Южной Бирме, западном и северном Таиланде, племенные языки Таиланда, Бирмы и южного Китая и несколько языков Ассама и Бенгалии. Исторические и лингвистические данные свидетельствуют о том, что вся материковая территория Юго-

Рис. 6.25. Распределение НbβЕ в Юго-Восточной Азии.

Восточной Азии, за исключением южной Малайи и некоторых областей Вьетнама, была заселена южноазиатскими народностями вплоть до V или VI в. н. э., когда началась миграция населения в широких масштабах.

На рис. 6.25 указаны, во-первых, те области, население которых говорит на южноазиатских языках, и, во-вторых, те области, население которых полиморфно по гену HbβE. Совпадение очевидно; вероятно, оно объясняется параллельным распространением этих языков и гена HbβE. Возможно, что ген, о котором мы говорим, впервые появился в исходной южноазиатской группе, а затем вместе с языками постепенно распространился по материковой части ЮгоВосточной Азии. Моделирование генной динамики указывает на то, что в популяции, где происходило распространение данного гена, могла до этого с высокой частотой присутствовать талассемия, поскольку ген HbβE во многих селективных ситуациях вытесняет ген талассемии.

Подтвержденное предположение. Как уже отмечалось, некоторые языки, принадлежащие к южноазиатской группе, встречаются вне материковой части Юго-Восточной Азии. Если рассмотренная нами гипотеза относительно гена HbβE верна, и малярия действительно является тем экологическим фактором, который поддерживает его высокую частоту, тогда популяции, принадлежащие к южноазиатской языковой группе, которые в течение долгого времени занимали зараженные малярией области, вне ЮгоВосточной Азии должны иметь высокую частоту НbβЕ.

В Ассаме было проведено сравнение двух групп населения: хази, южноазиатской группы, сохранившей свое этническое своеобразие, и ахом, группы монголоидного происхождения, сравнительно недавно (в XIII в.) иммигрировавшей из Таиланда. Обе группы обитали в областях, где малярия была эндемичным заболеванием. Результаты сравнения приведены в таблице 6.15.Частота НbβЕ очень высока в обеих группах. Для группы хази подтверждается предположение о том, что ген HbβE должен быть очень распространенным в популяции, происходящей от южноазиатской группы и подверженной селективному давлению малярии. Однако иногда ген HbβE может быть внесен в соседнюю популяцию неюжноазиатского происхождения. При его поддержании отбором он может даже достичь в ней относительно высокой частоты, что и наблюдается в группе ахом [1752].

При обсуждении стратегии исследования в популяционной генетике человека мы высказали мнение, что такие исследования более плодот-

326 6. Популяционная генетика

Таблица 6.15. Гемоглобин Е в выборках из популяций Ассама Хази (Бхои) и Ахом [1752]

ворны, если они опираются на какую-то гипотезу. Изучение НbЕ в южноазиатских популяциях Ассама служит примером научного поиска, основанного на конкретной популяционной гипотезе.

Некоторые выводы, сделанные на основании исследования НbЕ и талассемии. Изучение распространения НbЕ и талассемии среди жителей Юго-Восточной Азии позволило сделать некоторые общие выводы, интерпретирующие межпопуляционные различия генных частот. Они касаются того, каким образом история популяций и естественный отбор определяют эти различия.

При сравнении популяций, на которые воздействовал один и тот же естественный экологический фактор отбора (в данном случае малярия), обнаружились явные генетические различия, обусловленные разной историей этих популяций. В одной из них адаптация к экологическому фактору была достигнута благодаря наличию Hb β E, в другой - β-талассемии; показано, что эти системы адаптации являются до некоторой степени взаимоисключающими. Поскольку гомозиготы НbЕ/Е менее подвержены малярии, чем гомозиготы НbТ/Т, адаптация к малярии с использованием HbβE проходит легче и имеет тенденцию к замещению адаптации через р-талассемию. Такие результаты достигаются в течение длительного периода времени, несмотря на противодействующее влияние - частичное взаимоисключение двух этих генов, вызванное сильным давлением отбора против двойной гетерозиготы.

Значительные генетические различия выявлены также при сравнении популяций, в разной степени испытывающих воздействие малярии. Hb p E и талассемия с большей частотой обнаруживаются среди жителей холмистых местностей, чем в популяциях, населяющих обширные равнины, где малярия встречается реже. Эти результаты содержат мало информации относительно этнических взаимодействий между популяциями холмов и равнин. Чтобы внести ясность в данный вопрос, необходимо иметь сведения о селективном факторе-в данном случае малярии.

В литературе по антропологии и генетике человека часто проводится сравнение различных популяционных групп по генетическим маркерам. Однако критический анализ таких различий с учетом отбора, с одной стороны, и истории популяции, с другой, обычно отсутствует.

Исследование полиморфизма по серповидноклеточности в Африке: стохастическая модель замещения одного аллеля другим [126]. В исследованиях подобного рода был проведен комплексный анализ, включающий изучение истории популяций Западной Африки, воздействия на них малярии и частот генов HbβS и НbβС. Наблюдаемая здесь ситуация сходна со случаем HbβE и талассемии в Юго-Восточной Азии: в популяции присутствуют два аллеля Hb β S и Hb β С, обладающие противомалярийными свойствами; значения приспособленности w_i различны для гомо- и гетерозигот; против двойных гетерозигот действует сильный отбор. На рис. 6.26 показано изменение генных частот, происходящее при вытеснении аллеля Hb β С аллелем Hb β S; решающим фактором здесь является селективное преимущество гетерозиготы по Hb β S по сравнению с гетерозиготами по Hb β С. Как и в случае Hb β E и талассемии, использована детерминистическая модель отбора. Предполагается, что популяция имеет бесконечно большую величину. С другой стороны, в модели, приведенной на рис. 6.26,Б, эффективный репродуктивный размер популяции (разд. 6.4.1) принят равным 1000, поэтому возникают случайные флуктуации генных частот. Эта модель стохастическая. Общая тенденция здесь та же, что и на рис. 6.26,А, однако ясно видны случайные флуктуации частот.

6. Популяционная генетика 327

Рис. 6.26. А. Замещение аллеля HbβC аллелем Hbβs в результате селективного преимущества гетерозиготы HbβA/S по сравнению с гетерозиготой HbβA/C. Б. Моделирование на ЭВМ с параметрами модели, указанными на рис. 6.24, А, при эффективном репродуктивном размере популяции N = 1000 и случайных флуктуациях генных частот (отметим небольшие различия значений приспособленности AC, SC и СС по сравнению с таковыми на рис. 6.24, А) (по [1815; 126]).

Изучение аномальных гемоглобинов у жителей Западной Африки, так же как и в Юго-Восточной Азии, внесло вклад в наши представления об истории популяций. На земном шаре существуют и другие регионы, где можно провести подобные исследования - их население имеет сложную популяционную историю; необходимо только изучить распространение разных вариантов G6PD и гемоглобина. Одним из таких регионов является Индия, особенно ее южные и восточные области.

В популяциях Филиппин и Таиланда одновременно, с полиморфными частотами встречаются несколько типов недостаточности по G6PD. В африканских популяциях обнаружены только два основных варианта G6PD (А^– и А⁺). Возможно, что эта ситуация возникла из-за смешения групп, каждая из которых исходно имела только одну мутацию G6PD. Для подробного анализа этого вопроса необходимы дальнейшие исследования вариантов G6PD и истории популяций этой части Азии.