Популяционно-генетическая структура населения Сибири по данным о частотах полиморфных вариантов генов транспорта и рецепции витамина D

Полный текст

Витамин D в основной активной форме (кальциферол, эргокальциферол [1]) и в виде метаболитов (около 50 вариантов с различиями по функциональной активности и тканям-мишеням) – регулятор широкого спектра процессов (ремоделирование хроматина, клеточный рост и дифференцировка, фосфорно-кальциевый обмен, иммунный ответ и др.), действующий на геномном и негеномном уровнях [2–5]. Эффективность трансдукции витамина D детерминируется балансом взаимодействий эндогенных и экзогенных факторов, обусловливающих его метаболизм, транспорт и рецепцию [5, 6]. Природно-климатические условия, а также особенности питания, определяемые доступностью нутриентов, этнокультурными и религиозными традициями, формируют пул экзогенных факторов [7]. К эндогенным относятся особенности составов микробиомных сообществ желудочно-кишечного тракта [8–10]. Однако ведущую роль в этом ключе, несомненно, играют генные комплексы, сложившиеся в процессе приспособления индивидуальных геномов к среде обитания и закрепившиеся в генофондах популяций [11, 12].

Подавляющее большинство регионов России и Сибирь в их числе относятся к территориям, для населения которых характерен недостаток или даже дефицит витамина D [13, 14]. Это обусловлено коротким периодом инсоляции на достаточном уровне и низкой обеспеченностью нутриентами, содержащими холекальциферол (D3) и эргокальциферол (D2). В этом контексте значительный интерес представляют генофонды коренных сибирских народов. Их сложение до недавнего времени проходило под влиянием специфического комплекса природно-климатических факторов, в условиях относительной географической, культурной изоляции и особенностей питания. Ряд работ [15–19] демонстрирует специфику структуры генофондов коренных популяций, свидетельствующую о приспособлении к условиям окружающей природной среды. Прицельное изучение особенностей генофондов народов Сибири может послужить источником данных о вариантах аллелей, встречающихся в популяции с высокой частотой. Дальнейшие исследования in silico на клеточных моделях или иными способами – путь к прецизионной медицине и персонализированному нутрициологическому подходу [20, 21] для профилактики и коррекции алиментарных заболеваний.

В рамках сформулированной задачи в выборках коренного тюркоязычного (телеуты, томские татары, шорцы) и пришлого восточнославянского (русские) населения Сибири проведено исследование частот полиморфных вариантов генов, продукты которых отвечают за транспорт витамина D – ген GC (Group-Specific Component), а также за структуру его основного рецептора VDR (vitamin D receptor) – ген VDR и рецепторов-партнеров RXR (retinoid X receptor) – гены RXRA и RXRG.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Материалом для исследования послужили образцы ДНК населения Сибири – русских (n = 100) и коренных народов – телеутов (n = 98), томских татар (n = 100), шорцев (n = 113). Обследование коренных групп населения осуществлено в ходе экспедиций в места их компактного расселения в административных границах Кемеровской (Беловский, Междуреченский, Таштагольский районы) и Томской (Томский район) областей в период с 2010 по 2023 гг. Русские представлены жителями г. Кемерово и Кемеровской области. Суммарный объем выборки составил 411 человек.

Исследование проведено под контролем комитета по этике и доказательности медицинских научных исследований ФГБОУ ВО КемГМУ Минздрава России (протокол № 285 от 13.04.2022 г.). Биологические материалы получены в сопровождении генеалогических анкет, демографических данных и информированных согласий на участие в исследовании. Выборки сформированы с учетом пола и этнической принадлежности (по само- определению) согласно правилам, обоснованным в работе Е. В. Балановской и соавт. [22]. Потомков межнациональных браков из анализа исключали.

ДНК получали методом фенол-хлороформной экстракции. Генотипирование проводили с помощью ПЦР в режиме реального времени по панели 14 полиморфных вариантов генов, обеспечивающих транспорт (GC), связывание (VDR) и сигналинг (RXRA, RXRG) витамина D (табл. 1).

 

Таблица 1. Характеристика исследованных генов системы витамина D

Ген	Наименование продукта гена	Хромосомная локализация	Экзоны, n	SNP, тыс.*
GC	GC vitamin D binding protein	4q13.3	15	25.1
VDR	vitamin D receptor	12q13.11	12	25.5
RXRA	retinoid X receptor alpha	9q34.2	12	51.3
RXRG	retinoid X receptor gamma	1q23.3	12	17.0

Примечание. * – по данным NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene).

 

Выбор полиморфных вариантов генов, потенциально ассоциированных с уровнем сывороточного витамина D (25(OH)D) и витамина D в активной форме (1-25(OH)₂D), осуществлен с учетом популяционной частоты минорного аллеля (MAF) (Ensembl, http://www.ensembl.org) и литературных данных о связи полиморфного варианта со статусом витамина D. Локализацию SNP в структуре гена указывали по данным NCBI, https://www.ncbi.nlm.nih.gov (в качестве референсной последовательности использованы данные MANE Project v1.3), аннотацию – с помощью Ensembl VEP, http://www.ensembl.org/info/docs/tools/vep/index.html.

Расчет аллельных, гаплотипических частот, показателей гетерозиготности и равновесия Харди – Вайнберга осуществляли при помощи программы Genepop 4.7 (https://genepop.curtin.edu.au/) и веб-инструмента SNPstat (https://www.snpstats.net/start.htm). Различия частот считали статистически значимыми при уровне p < 0.05. Для сравнения привлекали общемировые частоты исследованной панели SNP, а также частоты в популяциях Европы и Восточной Азии. Источником информации послужили ALFA dataset (https://ncbiinsights.ncbi.nlm.nih.gov/2020/03/26/alfa/) и 1000Genomes (https://www.internationalgenome.org/).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ соответствия частот полиморфных вариантов генов распределению Харди–Вайнберга выявил в исследованных выборках ряд отклонений от состояния равновесия. У русских Сибири в одном случае – в отношении rs3847987 в гене VDR. Что касается коренных сибирских народов, то спектр таких SNP оказался несколько шире: от двух – у шорцев до четырёх – у телеутов. Отметим, что исследование всех SNP проведено на единых выборках, с использованием единых методов, реактивов и аппаратуры. Проверка воспроизводимости генотипирования (10% образцов, а в случае rs7041 – тотально в выборках телеутов и томских татар) подтвердила результаты в 100% случаев. Анализ направленности отклонения показателей гетерозиготности выявил общую для всех популяций тенденцию к некоторому снижению уровня гетерозиготности, которое оказалось более выражено у телеутов (табл. 2).

 

Таблица 2. Усредненные показатели гетерозиготности в исследованных выборках по данным полиморфных вариантов генов GC, VDR, RXRA и RXRG

Национальность	Hо	Hе	D
Русские	0.407	0.413	–0.017
Телеуты	0.363	0.409	–0.101
Томские татары	0.363	0.396	–0.090
Шорцы	0.382	0.404	–0.049

Примечание. Hо – наблюдаемая гетерозиготность, Hе – ожидаемая гетерозиготность, D – показатель отклонения гетерозиготности.

 

Известно, что общая численность этого народа на протяжении XIX–XXI вв. не превышала 2–2.5 тыс. человек [23, 24], а индекс эндогамии в местах компактного расселения в период с 1940-х по 2010-е гг. возрос с 58 до 89% [24]. Небольшая численность и высокая частота однонациональных браков – основа роста инбридинга и снижения гетерозиготности в популяции телеутов. Кроме того, ранее проведенные нами исследования [24, 25] позволяют предположить, что зафиксированная в настоящем исследовании динамика популяционной структуры телеутов – это результат дрейфа генов вследствие генетико-демографических процессов, связанных с переходом на суженный тип воспроизводства, со снижением фертильности и рождаемости, а также с усилением брачной ассортативности по этническому признаку. Их совокупный эффект в исследованной выборке, по всей видимости, превысил влияние межэтнического смешения, так как, несмотря на принципы формирования выборок, исключающие из исследования потомков от смешанных браков, нельзя не принимать в расчет возможности наличия таковых за пределами трех поколений.

Исследование частот полиморфных вариантов сформированной панели генов GC, VDR, RXRA и RXRG продемонстрировало своеобразие генофонда коренных популяций Сибири по сравнению с русским населением, а также с общемировыми частотами (TOT – Total) и частотами, характерными для популяций Европы (EUR – Europa) и Восточной Азии (EAS – East Asian) (табл. 3–5).

Сравнение частоты полиморфных вариантов гена GC в выборках коренных народов с русским населением Сибири выявило статистически значимые отличия (p < 0.05) в отношении частоты аллелей SNP rs7041 (шорцы). В целом в выборках шорцев и телеутов отмечена общая тенденция – меньшая распространенность аллелей, ассоциированных с пониженным по данным литературы (табл. 3) содержанием витамина D в сыворотке крови, в том числе из-за сниженного аффинитета продукта гена и следовательно способности к связыванию и транспорту данного витамина. В выборках томских татар и русских частоты аллелей гена GC, ассоциированные с потенциально худшим адаптационным потенциалом к условиям недостаточной обеспеченности витамином D, более распространены и несколько превышают среднемировые значения и показатели, характерные для популяций Европы и Восточной Азии (табл. 3).

 

Таблица 3. Характеристика исследованных полиморфных вариантов гена GC

SNР	Аннотация SNР*	Выборки	χ2х-в	Частота аллеля	χ2
rs7041 A> C экзон 12	Сниженное содержание 25(OH)D в крови [26]	Русские	0.40	(C) 0.572
		Телеуты	12.65	0.463	2.27
		Татары	20.35	0.635	0.80
		Шорцы	2.39	0.389	6.40
		TOT/EUR/EAS	0.537/0.566/0.264
rs4588 G> T экзон 12	Сниженное содержание 25(OH)D в крови [27]	Русские	0.11	(Т) 0.317
		Телеуты	0.01	0.252	0.99
		Татары	0.09	0.328	0.03
		Шорцы	0.12	0.265	0.62
		TOT/EUR/EAS	0.270/0.281/0.288
rs3755967 C> T интрон 13	Сниженное содержание 25(OH)D в крови [28]	Русские	0.02	(Т) 0.317
		Телеуты	3.99	0.251	0.25
		Татары	0.56	0.278	0.35
		Шорцы	0.08	0.244	1.24
		TOT/EUR/EAS	0.170/0.218/0.260

Примечание. Для табл. 3–5: * – данные литературы, χ²_х-в – критерий оценки соответствия частот распределению Харди–Вайнберга, χ² – критерий для попарного сравнения частот. Полужирным шрифтом отмечены статистически значимые величины при сравнении коренных групп с выборкой русских; TOT – общемировые частоты, EUR – частоты популяций Европы, EAS – частоты популяций Восточной Азии.

 

В отношении генетических частот VDR значимые различия (p < 0.05) выявлены для rs3847987 при сравнении выборки русских с выборками коренных народов Сибири. По данному полиморфному варианту, как и по всем другим, проанализированным в исследовании SNP VDR, выборка русских характеризовалась более низкими частотами альтернативных аллелей, в том числе по сравнению со среднемировыми и среднеевропейскими показателями (табл. 4). Для коренного населения Сибири в целом выявлены частоты, близкие (rs7975232, rs2228570, rs7968585) и превышающие (rs3847987) общемировые, европейские и восточноазиатские.

 

Таблица 4. Характеристика исследованных полиморфных вариантов гена VDR

SNР	Аннотация SNР*	Выборки	χ2х-в	Частота аллеля	χ2
rs1544410 (BsmI) C> T интрон 9	Сниженное содержание 25(OH)D в крови [29]	Русские	0.25	(Т) 0.315
		Телеуты	4.36	0.274	0.37
		Татары	1.29	0.208	2.84
		Шорцы	0.19	0.295	0.08
		TOT/EUR/EAS	0.388/0.398/0.064
rs731236 (TaqI) A> G экзон 10	Сниженное одержание 25(OH)D в крови [30]	Русские	0.26	(G) 0.307
		Телеуты	2.58	0.236	1.12
		Татары	4.49	0.234	1.26
		Шорцы	0.06	0.293	0.04
		TOT/EUR/EAS	0.384/0.398/0.067
rs7975232 (ApaI) C> A интрон 9	Сниженное содержание 25(OH)D в крови [31]	Русские	0.89	(A) 0.390
		Телеуты	2.17	0.511	2.67
		Татары	1.96	0.437	0.43
		Шорцы	2.92	0.469	1.09
		TOT/EUR/EAS	0.554/0.537/0.290
rs2228570 (FokI) A> G экзон 3	Повышенное содержание 25(OH)D в крови [32]	Русские	0.40	(G) 0.572
		Телеуты	3.39	0.623	0.49
		Татары	0.01	0.619	0.43
		Шорцы	0.21	0.543	0.15
		TOT/EUR/EAS	0.611/0.612/0.568
rs3847987 C> A экзон 10	Ассоциации с уровнем триглицеридов [33]	Русские	6.80	(A) 0.116
		Телеуты	1.27	0.268	7.24
		Татары	2.99	0.258	6.39
		Шорцы	4.21	0.217	3.52
		TOT/EUR/EAS	0.124/0.125/0.216
rs7968585 C> T экзон 3	Сниженное содержание 25(OH)D в крови [34]	Русские	1.86	(T) 0.440
		Телеуты	4.83	0.511	2.68
		Татары	2.14	0.573	0.43
		Шорцы	0.01	0.522	1.09
		TOT/EUR/EAS	0.520/0.519/0.275

 

Таблица 5. Характеристика исследованных полиморфных вариантов генов RXR

SNР	Аннотация SNР*	Выборки	χ2х-в	Частота аллеля	χ2
RXRA rs9409929 G> A интрон 1	Повышенный уровень 1,25(OH)2D в крови [35]	русские	0.04	(A) 0.430
		телеуты	0.38	0.250	6.86
		татары	0.74	0.276	4.93
		шорцы	0.67	0.398	0.14
		TOT/EUR/EAS	0.340/0.353/0.217
rs3132299 C> G интрон 2	Ассоциации с уровнем витамина D в крови [5]	русские	0.08	(G) 0.842
		телеуты	0.40	0.794	0.74
		татары	1.94	0.822	0.14
		шорцы	2.28	0.801	0.54
		TOT/EUR/EAS	0.843/0.825/0.806
rs877954 A> G интрон 9	Ассоциации с уровнем витамина D в крови [5]	русские	0.36	(G) 0.697
		телеуты	1.77	0.578	2.93
		татары	0.29	0.526	5.88
		шорцы	0.03	0.734	0.32
		TOT/EUR/EAS	0.633/0.658/0.662
RXRG rs2651860 A> C интрон 4	Ассоциация с дислипидемией [36]	русские	1.73	(C) 0.182
		телеуты	0.43	0.247	1.17
		татары	2.07	0.197	0.07
		шорцы	0.26	0.226	0.56
		TOT/EUR/EAS	0.149/0.205/0.101
rs283696 T> C интрон 9	Ассоциация с дислипидемией [36]	русские	0.010	(C) 0.752
		телеуты	0.23	0.873	4.58
		татары	0.36	0.821	1.37
		шорцы	3.07	0.857	3.34
		TOT/EUR/EAS	0.872/0.796/0.927

 

Исследованная панель полиморфных вариантов по генам ретиноидных рецепторов RXRA и RXRG оказалась более информативной (табл. 5). Статистически значимые различия получены при сравнении выборок коренных сибирских народов с русскими по rs9409929 и rs877954 гена RXRA, а также rs283696 гена RXRG. У телеутов чаще (p < 0.05) фиксировался аллель С rs283696. Данный аллельный вариант оказался более распространенным во всех исследованных выборках сибирских народов. У телеутов и томских татар продемонстрирована сниженная (p < 0.05) частота аллеля А rs9409929, для которого показан более высокий уровень содержания активной формы витамина D (1.25(OH)₂D) в крови. У томских татар также реже выявлялся аллель G rs877954, в отношении которого также есть данные литературы[5] об ассоциации с уровнем витамина D в сыворотке крови.

По данным о частотах аллелей методом Nei была построена матрица генетических расстояний, проиллюстрированная дендрограммой (рис. 1).

 

Рис. 1. Положение генофондов исследованных народов в общем генетическом пространстве по данным панели 14 SNР генов системы витамина D (метод Уорда).

 

Ожидаемо наиболее дистанцированной в общем генетическом пространстве оказалась выборка русских – усредненное значение d, характеризующее удаленность русских от всех исследованных популяций, составило 0.028. Минимальные генетические расстояния получены между телеутами – томскими татарами (0.008), а также шорцами – телеутами (0.009). Полученные результаты отражают этногенез, географическую локализацию этнических популяций и межэтнические контакты сибирских народов. Так, по данным истории и этнографии, в сложении томских татар приняли участие выезжие телеуты, откочевавшие с князем Иркой Уделековым на новые территории. А интенсивные межэтнические связи шорцев и телеутов определены близостью расположения мест компактного расселения.

Для получения данных о потенциале популяций в контексте генетической адаптации к недостаточной обеспеченности витамином D был проведен анализ частот гаплотипов полиморфных вариантов генов. Частоты наиболее распространенных вариантов “Топ-3” показаны на столбчатых гистограммах (рис. 2).

 

Рис. 2. Частоты распространенных гаплотипов полиморфных вариантов исследованного комплекса генов в выборках коренных народов и русских Сибири.

 

Значительный интерес в этом ключе представляет продукт гена GC – DBP (vitamin D binding protein, витамин D-связывающий белок), который несет уникальный сайт связывания для всех метаболитов витамина D. Комплекс DBP–25(OH)D образует циркулирующий резервуар витамина, предотвращающий гиповитаминоз D, когда поступление нового витамина D недостаточно. Таким образом, DBP регулирует биодоступность всех метаболитов витамина D для тканей и клеток организма.

Ген GC содержит несколько функциональных полиморфных вариантов С доказанным по данным литературы [26, 27] влиянием D в сыворотке крови. Наиболее важными и изученными являются два – rs7041 и rs4588. Первый – rs7041 (c. 1296A > C) кодирует глутаминовую кислоту вместо аспарагиновой в положении 432 (p.Asp432Glu), второй – rs4588 (c.1307G> T) – лизин вместо треонина в положении 436 (p.Thr436Lys). Сочетание этих полиморфных вариантов приводит к трем основным и наиболее распространенным изоформам гена GC: GC1s (rs7041C–rs4588G, кодирующим 432Glu/436Thr); GC1f (rs7041A–rs4588G, кодирующим 432Asp/436Thr); GC2 (rs7041A–rs4588T, кодирующим 432Asp/436Lys). Эти три изоформы генерируют шесть различных фенотипов (GC1f-GC1f, GC1f-GC1s, GC1s-Gc1s, GC1f-GC2, GC1s-GC2 и GC2-GC2) и модулируют концентрацию циркулирующего DBP и следовательно биодоступность витамина D. Еще одним SNP стал интронный вариант rs3755967, для которого также установлена ассоциация со сниженным уровнем витамина D [28].

Анализ составов гаплотипов исследованных полиморфных вариантов гена GC свидетельствует о генетической адаптации популяций коренных сибирских народов к условиям недостаточной обеспеченности витамином D. В их генофондах отмечено накопление вариантов гена, кодирующего белок с лучшей способностью к связыванию и удержанию данного витамина. Отметим, что во всех проанализированных выборках самым распространенным оказался GC1s в составе гаплотипа СGC, однако в выборке русских вторым по частоте был гаплотип АТТ (GC2 и минорный вариант – аллель Т по rs3755967). Для белка фенотипа GC2-2 установлена сниженная аффинность к 25(OH)D. В группах коренных народов Сибири частота такого варианта ниже (в 2–10 раз), а гаплотип AGC, включающий три исходных “предковых” варианта гена, напротив, занимает в “Топ-3” вторую или третью позицию.

В отношении гена VDR у русских и коренных народов Сибири выявлен совершенно разный гаплотипический профиль. Продукт гена VDR – рецептор витамина D – экспрессируется в различных клетках и тканях с максимальным уровнем в тонкой, двенадцатиперстной и толстой кишке, почках и коже. В клетке он концентрируется в ядре, цитозоле и на цитоплазматической мембране, реализуя регуляцию на геномном и негеномном уровнях. Белок VDR специфически связывает активную форму витамина D (1.25(OH)₂D) и опосредует ее действие – активирует экспрессию широкого спектра генов-мишеней с элементом VDRE в промоторе, в том числе генов иммунного ответа и генов, поддерживающих клеточные процессы роста и дифференцировки.

Распространенные в выборке русских гаплотипы гена VDR – ССGGCC, CCGACC и TTAGCA – в исследованных нами выборках коренных народов не зарегистрированы или крайне редки. В составе первых двух гаплотипов содержится аллель G rs7968585, ассоциированный по данным литературы со сниженным уровнем витамина D (25(OH)D), и/или G rs2228570 (повышенное содержание 25(OH)D в сыворотке крови). Для третьего гаплотипа можно предположить негативный эффект – три полиморфных варианта потенциально ассоциированы со сниженным содержанием сывороточного витамина D (25(OH)D). В генофондах сибирских татар, телеутов и шорцев самым частым оказался гаплотип CCAGCC, включающий варианты “нормы” по исследованному комплексу SNP и один минорный вариант – rs2228570, кодирующий укороченную форму рецептора FokI VDRА. Отметим, что существуют три изоформы рецептора витамина D, различающиеся по длине: VDRA (427 а.о.), VDRB1 (477 а.о.) и FokI VDRА (424 а.о.). Для последней – укороченной – формы, детерминируемой на генетическом уровне SNP rs2228570, характерен высокий уровень трансляции, что предполагает повышенную чувствительность тканей и клеток-мишеней к лиганду – витамину D – в условиях его недостаточного поступления.

Что касается сочетаний исследованных полиморфных вариантов генов RXRA и RXRG, то их распределение в исследованных выборках населения Сибири оказалось более однородным, несмотря на выявленные статистически значимые различия при попарном сравнении частот отдельных SNP. Вероятно, это связано с полифункциональностью ретиноидных рецепторов, которые способны образовывать гетеродимеры с широким спектром рецепторов-партнеров (VDR, PPAR, FXR, LXR, TR), модифицируя их сигналинг, обеспечивающий экспрессию генов и метаболизм веществ в клетке. Самым частым вариантом во всех выборках без исключения стал GGGAC. В составе этого комплекса присутствуют два потенциально “негативных” SNP, ассоциированных со сниженным уровнем витамина D – rs3132299, rs877954, и два варианта “нормы” по риску дислипидемий – rs2651860, rs283696. В выборке шорцев вторым по распространенности стал гаплотип AGGAC, содержащий полиморфный вариант rs9409929 (аллель А, по некоторым данным, ассоциирован с повышенным уровнем сывороточного витамина D).

Исследование структуры генофондов коренного и пришлого населения Сибири по данным 14 полиморфных вариантов генов системы витамина D позволяет сделать заключение о том, что структура генофондов коренных народов Сибири сохраняет своеобразие, отражающее историю сложения и демонстрирующее черты генетической адаптации коренных популяций к условиям среды обитания.

 

Данное исследование выполнено за счет средств гранта Российского научного фонда № 22-25-20209, https://rscf.ru/project/22-25-20209 и Министерства науки и высшего образования Кузбасса.

Все процедуры, выполненные в исследовании с участием людей, соответствуют этическим стандартам институционального и/или национального комитета по исследовательской этике и Хельсинкской декларации 1964 г. и ее последующим изменениям или сопоставимым нормам этики.

От каждого из включенных в исследование участников было получено информированное добровольное согласие. Все обследованные – совершеннолетние.

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Об авторах

Б. А. Тхоренко

Кемеровский государственный медицинский университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: tba2008@mail.ru
Россия, Кемерово, 650056

А. В. Мейер

Кемеровский государственный медицинский университет

Email: tba2008@mail.ru
Россия, Кемерово, 650056

Г. В. Вавин

Кемеровский государственный медицинский университет

Email: tba2008@mail.ru
Россия, Кемерово, 650056

Д. О. Имекина

Кемеровский государственный медицинский университет

Email: tba2008@mail.ru
Россия, Кемерово, 650056

М. В. Ульянова

Кемеровский государственный медицинский университет

Email: tba2008@mail.ru
Россия, Кемерово, 650056

Ф. А. Лузина

Научно-исследовательский институт комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний

Email: tba2008@mail.ru
Россия, Новокузнецк, 654041

М. Б. Лавряшина

Кемеровский государственный медицинский университет

Email: tba2008@mail.ru
Россия, Кемерово, 650056

Список литературы

Дополнительные файлы