ADAPTATION TO HIGH ALTITUDE IN THE CAUCASUS: TESTING THE HYPOTHESIS OF CONVERGENT EVOLUTION USING THE EGLN1 AND SPRTN GENES

Full Text

Адаптация к высокогорью на Кавказе: проверка гипотезы конвергентной эволюции по генам EGLN1 и SPRTN

Обоснование

Высокогорные регионы представляют собой экстремальную среду обитания, главным фактором которой является гипобарическая гипоксия. Риск развития горной болезни (острой или хронической) возрастает в зависимости от высоты проживания и связано с экспоненциальным снижением атмосферного давления. Ответ организма на гипоксический стресс комплексен и включает адаптационные изменения в дыхательной, сердечно-сосудистой, гематологической системах, а также на клеточном уровне [1, 2]. При том что сотни миллионов людей постоянно живут на высотах более 1500 м, научный консенсус относительно границы, отделяющей среднегорье от высокогорья с точки зрения физиологического воздействия, отсутствует. Начальные эффекты разрежения атмосферы регистрируются уже на отметке около 1000 м, в то время как в популяционных и адаптационных исследованиях нижней границей «высокогорья» условно принимают 1500–2000 м [3].

Адаптация человека к высокогорью - многокомпонентный процесс, инициируемый гипоксией. Ключевым физиологическим маркером служит сатурация артериальной крови кислородом (SpO₂), снижение которой запускает компенсаторные реакции: немедленную гипервентиляцию и долгосрочное увеличение количества эритроцитов (эритроцитоз). Эффективность этих механизмов неодинакова у разных этнических групп, что указывает на различные эволюционные пути адаптации. Например, коренные тибетцы в сравнении с популяциями Анд демонстрируют более высокую вентиляцию в покое при меньшем уровне гемоглобина [4].

Современные данные свидетельствуют о независимой (конвергентной) адаптации различных человеческих популяций к условиям хронической гипоксии высокогорья. Молекулярно-генетические исследования последних лет позволили идентифицировать конкретные геномные локусы и сигнатуры отбора, лежащие в основе этих адаптивных процессов [5-7].

Подробное описание всех известных генов, ассоциированных с успешным заселением высокогорных регионов, ранее было представлено в ряде обзорных публикаций [8, 9]. Однако наиболее значимыми и изученными вариантами, демонстрирующими ассоциацию с адаптацией к высокогорной гипоксии, являются варианты генов EGLN1 и SPRTN, располагающихся в регионе 1q42.2 [10].

Ген EGLN1 (фактор, индуцирующий гипоксию 1) является геном-сенсором кислорода. При гипоксии EGLN1 ингибируется, что приводит к накоплению HIF-α (фактор, индуцируемый гипоксией альфа) и образованию функционального транскрипционного фактора посредством его гетеродимеризации с HIF-β (фактор, индуцируемый гипоксией бета) [11, 12]. Комплекс HIF-αβ стимулирует транскрипцию каскада генов, ответственных за адаптивные реакции на гипоксию, которые вместе обозначаются элементами, реагирующими на гипоксию, которые, как правило, смягчают негативные эффекты гипоксии и, таким образом, предотвращают тяжесть кислородного голодания. Последующие компенсаторные эффекты включают восстановление подачи кислорода (ангиогенез, эритроцитоз, вентиляция), снижение потребления кислорода и повышение толерантности к гипоксии [13, 14].

Среди множества генетических вариантов гена EGLN1, следует выделить rs479200 как наиболее значимый с точки зрения адаптации к условиям гипобарической гипоксии. Установлено, что предковый вариант (аллель А) rs479200 характеризуется неспособностью справляться с гипоксией из-за повышенной экспрессии гена EGLN1, и в этой связи индивиды с генотипом АА более подвержены тяжёлым проявлениям гипоксии. rs479200 расположен в потенциально активном регуляторном участке, что подтверждается эпигенетическими метками (H3K27Ac) и данными о доступности хроматина и связывании транскрипционных факторов. Поскольку в гене EGLN1 отсутствуют элементы микроРНК и snoRNA, а lincRNA находятся на значительном удалении от интрона 1, маловероятно, что данный вариант влияет на эти классы РНК. Основной гипотезой является его регуляторное воздействие на ген EGLN1 [7]. Следовательно, функциональные эффекты аллеля адаптивного к жизни в высокогорье (G), по-видимому, связаны не с изменением структуры белка, а с регуляторными механизмами, требующими дополнительного исследования.

Связь между адаптацией к жизни на большой высоте и распространением генетического варианта rs479200 гена EGLN1 ранее была продемонстрирована для популяций из различных горных регионов. Так, для тибето-бирманских популяций из высокогорных регионов характерно увеличение частоты аллеля G по сравнению с родственными популяциями из более низких регионов [15]. Более того, генотип AA rs479200 коррелирует с повышенной экспрессией EGLN1, что может вызывать отёк лёгких на большой высоте. В тоже время данный генотип практически отсутствует у коренных жителей высокогорья [15, 16]. Однако самая высокая в мире частота адаптивного аллеля G rs479200 была обнаружена в популяции кечуа [7].

Таким образом аллель G rs479200 является связанным с адаптацией к жизни в условиях высокогорья не только у населения Азии (частота в высокогорных популяциях 0,71), но и у коренного населения высокогорья Анд (частота в выборке кечуа 0,8). В то же время для населения Индии и Анд, проживающих на небольших высотах, частоты аллеля G сопоставимы и составляют 0,36 и 0,4 соответственно [7, 15]. Верификация гипотезы конвергентной эволюции требует расширения анализа за пределы тибетских и андских популяций. Включение в исследование народов Кавказа позволит оценить универсальность молекулярных механизмов адаптации к гипобарической гипоксии.

Выборка кечуа показала самую высокую в мире частоту адаптивного аллеля не только по варианту rs479200, но и rs2437150 гена SPRTN [7]. Ген SPRTN (ДНК-зависимая металлоэндопептидаза) опосредует протеолитическое расщепление ковалентных ДНК-белковых поперечных связей во время синтеза ДНК, тем самым играя ключевую роль в поддержании геномной целостности. Следует отметить, что вариант rs2437150 гена SPRTN, как и rs479200 гене EGLN1 ранее был отмечен как значимый в адаптации к условиям высокогорья в популяциях кечуа и тибетцев и снова указывает на конвергентную эволюцию к условиям высокогорья у населения разных регионов [7, 17]. Используя данные широкомасштабного анализа полногеномных данных населения Цинхай-Тибетского нагорья (Китай), данный вариант характеризуется сильным сигналам отбора, и может объяснять адаптацию к гипоксии сердечно-лёгочной функции у тибетцев [18]. Кроме того, было показано, что генотипы CC и CT у тибетцев ассоциированы с повышением перкутанного артериального насыщения кислородом и максимальным потреблением кислорода, которое человек способен потреблять в течение 1 минуты (VO₂ max) [7, 19].

Среди народов горных регионов, популяции Кавказа менее всего изучены в аспекте адаптации к условиям гипоксии. И если некоторые популяции Северо-Восточного Кавказа ранее были исследованы и показали крайне интригующие результаты [20], то наиболее высокогорный регион Кавказа до сих пор не исследован, что делает проведенное нами исследование особенно актуальным. Уникальность региона заключается в потенциально независимом пути эволюции автохтонных высокогорных этносов, таких как балкарцы, по сравнению с хорошо изученными популяциями Тибета и Анд. Эта независимость предполагает возможное наличие альтернативных, ещё не описанных паттернов адаптивных генетических вариантов.

Сравнительный филогенетический анализ кавказских популяций позволит выявить как конвергентные, так и уникальные молекулярные механизмы адаптации к условиям гипобарической гипоксии. Следовательно, систематическое исследование этих популяций способно внести ключевой вклад в понимание общих закономерностей эволюции человека в условиях гипоксии и расширить спектр известных адаптивных генетических вариантов.

Следует отметить, что исторические события конца XIX - середины XX веков, связанные с изменениями в сельском хозяйстве и миграционными процессами, затронули многие народы Северного Кавказа. Это привело к перераспределению населения, в результате которого часть жителей горных районов расселилась в предгорных и равнинных населённых пунктах. Подобное смещение, характерное для ряда кавказских популяций, не является непреодолимой преградой для изучения их генетической структуры. Современные исследования успешно учитывают эти демографические изменения, позволяя анализировать как исторические, так и современные генетические связи.

 

Цель исследования

Выявить различия в распределении частот аллелей и генотипов генетических вариантов rs479200 гена EGLN1 и rs2437150 гена SPRTN между высокогорной популяцией балкарцев и популяцией кабардинцев, населяющих равнинные и предгорные регионы, Центрального Кавказа для оценки вклада данных вариантов в формирование адаптивных признаков к гипоксии.

Методы

Критерии соответствия (отбора)

Описание критериев соответствия

Для проведения исследования у представителей балкарской этнической группы (N=132) был отобран биоматериал (венозная кровь) в населенных пунктах, расположенных в высотном диапазоне от 500 до 2200 метров над уровнем моря (рисунок 1, таблица 1). Контрольная выборка была сформирована из образцов венозной крови кабардинцев (N=131), проживающих на высотах от 170 до 800 метров. Таким образом, исследование охватывает контрастные по абсолютной высоте группы населения. Выборки сформированы представителями обозначенных этнических групп, проживающих в Кабардино-Балкарской Республике. В анализ были включены выборки преимущественно мужчин, средний возраст которых составил 45,6 лет. Отбор проб проводился в соответствии с этическими стандартами Комитета по биоэтике, разработанными Хельсинкской декларацией ВМА: «Этические принципы проведения медицинских исследований с участием людей в качестве субъектов». Работа одобрена Локальным Этическим Комитетом Института биохимии и генетики УНЦ РАН (протокол № 14 от 15 сентября 2016 г.). Забор крови осуществлялся после подписания информированного согласия на участие в научном исследовании достигнувших 18-летнего возраста и заполнивших анкеты с указанием предков до третьего поколения.

Таблица 1. Демографические и географические характеристики исследуемой когорты

Популяция	Населённый пункт	Высота над уровнем моря	Широта	Долгота
Балкарцы	Эльбрус	1770	43.2589	42.6428
Балкарцы	Байдаево	2000	43.2486	42.5768
Балкарцы	Терскол	2200	43.2579	42.5096
Балкарцы	Нейтрино	1765	43.2778	42.6849
Балкарцы	Верхний Баксан	1550	43.3124	42.7545
Балкарцы	Тырныауз	1300	43.3800	42.9126
Балкарцы	Тегенекли	1850	43.2504	42.61.35
Балкарцы	Былым	1100	43.4556	43.0282
Балкарцы	Кенделен	850	43.5976	43.1495
Балкарцы	Лашкута	850	43.5493	43.2077
Балкарцы	Булунгу	1620	43.2352	43.1273
Балкарцы	Элтюбю	1530	43.2662	43.1508
Балкарцы	Хушто-Сырт	1100	43.4322	43.2371
Балкарцы	Нижний Чегем	1000	43.4834	43.2885
Балкарцы	Яникой	600	43.5539	43.4885
Балкарцы	Чегем	500	43.5625	43.5612
Балкарцы	Каменка	600	43.5357	43.5066
Балкарцы	Белая Речка/Ак-суу	750	43.4253	43.5085
Балкарцы	Хасанья	650	43.4301	43.5753
Балкарцы	Безенги	1500	43.2179	43.2853
Балкарцы	Карасу	1000	43.2928	43.4077
Балкарцы	Кашхатау	750	43.3140	43.6034
Балкарцы	Верхняя Балкария	1200	43.1070	43.4407
Балкарцы	Бабугент	800	43.2757	43.5412
Кабардинцы	Терек	250	43.4843	44.1424
Кабардинцы	Урожайное	180	43.6993	44.2169
Кабардинцы	Хамидие	180	43.6716	44.3713
Кабардинцы	Нижний Акбаш	250	43.5227	44.2031
Кабардинцы	Нижний Черек	310	43.5109	43.9265
Кабардинцы	Нарткала	290	43.5532	43.8587
Кабардинцы	Майский	210	43.6329	44.0599
Кабардинцы	Опытное	210	43.6304	44.1381
Кабардинцы	Нартан	350	43.5119	43.7115
Кабардинцы	Аушигер	450	43.3929	43.7409
Кабардинцы	Урвань	350	43.4914	43.7683
Кабардинцы	Кахун	290	43.5391	43.8829
Кабардинцы	Анзорей	400	43.3579	43.9428
Кабардинцы	Дейское	260	43.4805	44.1650
Кабардинцы	Баксан	430	43.6838	43.5653
Кабардинцы	Заюково	620	43.6181	43.3517
Кабардинцы	Каменномостское	800	43.7354	43.0557
Кабардинцы	Нижний Куркужин	620	43.7357	43.3462
Кабардинцы	Дженал	800	43.8247	43.1177
Кабардинцы	Сармаково	690	43.7449	43.2080
Кабардинцы	Атажукино	550	43.6511	43.4050

 

Исходы исследования

Основной исход исследования.

«неприменимо»

Дополнительные исходы исследования

«неприменимо»

Методы регистрации исходов

Выделение ДНК производили из лимфоцитов периферической крови с помощью фенол-хлороформного метода экстракции [21]. Забор цельной крови проводили в вакутейнеры типа Vacutainer ® объемом 9 мл, содержащие К2ЭДТА в качестве антикоагулянта (конечная концентрация ~4-5 mM). Пробирки использовали для сбора, транспортировки и кратковременного хранения образцов (при температуре 4°С) перед выделением нуклеиновой кислоты. Для генотипирования вариантов использовали технологию определения однонуклеотидных полиморфизмов методом KASP (Kompetitive Allele Specific PCR). Метод генотипирования KASP основан на конкурентной аллель-специфической ПЦР и позволяет определить в обоих аллелях однонуклеотидный, а также инсерционно-делеционный полиморфизм. Реакционная смесь для генотипирования состоит из (в расчете на 1 образец) 5 µl 2x KASP Master mix, 0,14 µl KASP Assay mix (праймеры) и 5 µl ДНК. Термоциклирование для KASP-генотипирования выполняли в соответствии со стандартным протоколом, включающим три этапа. На первом этапе проводили активацию фермента при 94°C в течение 15 минут (1 цикл). Второй этап состоял из 10 циклов, каждый из которых включает денатурацию при 94°C в течение 20 секунд и стадию отжига/элонгации при температуре 61–55°C в течение 60 секунд с понижением температуры на 0,6°C в каждом последующем цикле. Завершающий этап представляет собой 26 циклов амплификации с денатурацией при 94°C в течение 20 секунд и отжигом/элонгацией при 55°C в течение 60 секунд. Дизайн аллель-специфических праймеров для KASP-генотипирования осуществлялся специалистами компании LGC Genomics (Великобритания), что обеспечивало стандартизированные условия и верифицированную специфичность олигонуклеотидов. Полимеразная цепная реакция с последующим считыванием флуоресценции по конечной точке проводилась на приборе CFX96 TouchTM Real-Time PCR Detection Systems. В случае недостаточно выраженных кластеров образцы подвергали дополнительным циклам амплификации с последующим повторным считыванием флуоресценции.

Анализ в подгруппах

«неприменимо»

Статистические методы

Частоту аллельных вариантов в данных популяциях рассчитывали на основе наблюдаемых частот генотипов. Соответствие частот генотипов равновесию Харди–Вайнберга оценивали с помощью критерия χ2 Пирсона (при p>0,05). Достоверность различий в частотах аллелей в выборке рассчитывали с помощью теста χ2 с использованием поправки Йейтса на непрерывность. Карта с указанием мест сбора материала создана в QGIS 3.30.3 (Швейцария). Расчет неравновесия по сцеплению (LD) проводился с использованием пакетов ggplot2, ggrepel, scales, genetics в программной среде R.

Результаты

Основные результаты исследования

В результате проведенного комплексного исследования было изучено распространение ключевых генетических вариантов, ассоциированных, по данным современной научной литературы, с адаптацией к жизни в условиях гипобарической гипоксии у представителей автохтонной балкарской этнической группы, населяющей высокогорный регион Центрального Кавказа. Для корректной оценки высотной адаптации и минимизации влияния общерегионального генетического фона в качестве референтной контрольной группы была отобрана равнинная популяция кабардинцев, проживающая в том же географическом регионе, но на существенно меньших абсолютных высотах. Таким образом, нами был проведен анализ генетического варианта rs479200 гена EGLN1, являющегося ключевым регулятором гипоксия-индуцируемого фактора (HIF), и rs2437150 гена SPRTN, играющего роль в поддержании стабильности генома и связанного с работой сердечно-легочной системы в условиях кислородной недостаточности [16, 18]. В таблицах 2 и 3 представлены сравнительные данные по частотам генотипов и аллелей исследуемых генетических вариантов rs479200 гена EGLN1 и rs2437150 гена SPRTN в изученных популяциях, что позволяет провести количественную оценку дифференцирующего давления естественного отбора. В популяции балкарцев наблюдается значительное отклонение частот генотипов rs479200 гена EGLN1 от ожидаемых по HWE. Также для этой горной популяции характерна высокая частота адаптивного аллеля (χ² = 10,78, p = 0,001). В контрольной группе кабардинцев распределение генотипов близко к ожидаемому, частота адаптивного аллеля ниже, и различие наблюдаемых и ожидаемых значений статистически незначимо (χ² = 0,517, p = 0,372) (таблица 2). В тоже время в популяции балкарцев генотипы rs2437150 гена SPRTN отклоняются от ожидаемых по HWE умеренней (χ² = 5,25, p = 0,022), а частотой адаптивного аллеля значительно выше, чем в контрольной выборке кабардинцев (таблица 3). Полученные результаты дают возможность оценить вклад данных генетических маркеров в специфические механизмы адаптации к высокогорью у кавказских популяций в сравнительном аспекте.

Таблица 2. Распределение генотипов rs479200 гена EGLN1 в сравнении с ожидаемым в популяциях балкарцев и кабардинцев

Популяция	N	AA			AG			GG			Частота адаптивного аллеля (95% ДИ)	χ2	P
		Наблюд. (N)	Ожид. (N)	%	Наблюд. (N)	Ожид. (N)	%	Наблюд. (N)	Ожид. (N)	%
Балкарцы	132	51	59,3	38,6	75	58,3	56,8	6	14,3	4,5	32,95 (27,3-39)	10,78	0,001
Кабардинцы (контроль)	131	71	72,6	54,2	53	49,9	40,5	7	8,9	8,6	25,57 (20,4-31,3)	0,517	0,372

Таблица 3. Распределение генотипов rs2437150 гена SPRTN в сравнении с ожидаемым в популяциях балкарцев и кабардинцев

Популяция	N	TT			TC			CC			Частота адаптивного аллеля (95% ДИ)	χ2	P
		Наблюд. (N)	Ожид. (N)	%	Наблюд. (N)	Ожид. (N)	%	Наблюд. (N)	Ожид. (N)	%
Балкарцы	132	35	41,5	26,5	78	65	59,1	19	25,5	14,4	43,94 (37,9-50,2)	5,25	0,022
Кабардинцы (контроль)	131	48	57,8	36,6	78	58,4	59,5	5	14,8	3,8	33,58 (27,9-39,7)	14,7	0,0001

 

Между изученными популяциями наблюдалось различие в частотах как генотипов, так и аллелей по обоим генетическим вариантам. Статистически значимым оказалось различие в частоте аллеля С rs2437150 гена SPRTN. В случае с rs479200 гена EGLN1, наблюдалось статистически значимое отличие в частоте гетерозигот. Также мы выполнили сравнительный анализ частот адаптивных аллелей rs2437150 (SPRTN) и rs479200 (EGLN1) среди балкарцев, кабардинцев и мировых популяций, включая оценку статистической значимости различий (p-value) (таблицы 4 и 5).

Таблица 4. Частота аллеля G rs479200 гена EGLN1 в выборках балкарцев и кабардинцев, а также в некоторых мировых популяциях и их сравнение (p-value)

Популяция	Частота аллеля G	Балкарцы	Кабардинцы (контроль)
Балкарцы*	32,9%		0,063
Кабардинцы (контроль)*	25,6%	0,063
Финны [22]	25,3%	0,072	0,866
Британцы [22]	17,6%	p<0,001	0,038
Испанцы [22]	17,8%	p<0,001	0,032
Итальянцы (Тоскана) [22]	19,6%	0,001	0,103
Китайцы (Сишуанбаньна) [22]	50,5%	p<0,001	p<0,001
Китайцы (Пекин) [22]	42,2%	0,039	p<0,001
Китайцы (Южный Китай) [22]	42,9%	0,027	p<0,001
Японцы (Токио) [22]	45,7%	0,005	p<0,001
Вьетнамцы (Хошеминь) [22]	40,9%	0,078	p<0,001
Бенгальцы (Бангладеш) [22]	34,9%	0,677	0,045
Тибето-Бирманцы (высокогорье) [15]	71%	p<0,001	p<0,001
Тибето-Бирманцы (равнины/предгорье) [15]	36%	0,438	0,007
Пенджабцы (Пакистан) [22]	39,1%	0,178	0,003
Кечуа [7]	80%	p<0,001	p<0,001
Колумбийцы [22]	25%	0,068	0,821
Перуанцы [22]	62,9	p<0,001	p<0,001
Пуэрториканцы [22]	24%	0,034	0,636
Ишан (Нигерия) [22]	31,8%	0,796	0,165
Гамбийцы (Западный округ, Гамбия) [22]	30,1%	0,496	0,306

*- наше исследование

Жирным шрифтом выделены статистически значимые различия (p < 0,05).

 

Таблица 5. Частота аллеля C rs2437150 гена SPRTN в выборках балкарцев и кабардинцев, а также в некоторых мировых популяциях и их сравнение (p-value)

Популяция	Частота аллеля C	Балкарцы	Кабардинцы (контроль)
Балкарцы*	43,9%		0,015
Кабардинцы (контроль)*	33,6%	0,015
Финны [22]	29,8%	0,002	0,388
Британцы [22]	30,8%	0,005	0,533
Испанцы [22]	36,9%	0,120	0,449
Итальянцы (Тоскана) [22]	36,9%	0,120	0,449
Китайцы (Сишуанбаньна) [22]	54,8%	0,023	p<0,001
Тибетцы [19]	79,5%	p<0,001	p<0,001
Китайцы (Пекин) [22]	46,1%	0,638	0,006
Китайцы (Южный Китай) [22]	45,2%	0,777	0,009
Японцы (Токио) [22]	47,6%	0,428	0,002
Вьетнамцы (Хошеминь) [22]	44,4%	0,914	0,018
Бенгальцы (Бангладеш) [22]	43%	0,850	0,047
Пенджабцы (Пакистан) [22]	53,1%	0,052	p<0,001
Колумбийцы [22]	41,5%	0,604	0,087
Перуанцы [22]	65,9%	p<0,001	p<0,001
Пуэрториканцы [22]	38%	0,192	0,323
Ишан (Нигерия) [22]	51%	0,132	p<0,001
Гамбийцы (Западный округ, Гамбия) [22]	57,5%	0,002	p<0,001

*- наше исследование

Жирным шрифтом выделены статистически значимые различия (p < 0,05).

Анализ неравновесного сцепления (Linkage Disequilibrium, LD) в данных проекта "1000 геномов" указывает на существенные межпопуляционные различия в величине неравновесия по сцеплению данных вариантов. Наиболее высокие показатели силы LD, были зарегистрированы в популяции перуанцев из Лимы (r² = 0.879 при D’ = 1), а также в популяциях Восточной и Южной Азии (r² = 0.625 – 0.813; D’ = 0.932 – 0.999). Среди популяций европейского происхождения максимальное значение r² наблюдалось у финнов (r² = 0.749, D’ = 0.970). В остальных исследованных популяциях уровень LD был достоверно ниже [22].

Анализ LD изученных вариантов для популяции кабардинцев выявил значение r²=0,52 и D’=0,87. Для популяции балкарцев значение равно r²=0,2 и D’=0,57. Таким образом анализ неравновесного сцепления выявил существенное отличие силы сцепления изученных вариантов в популяциях балкарцев, кабардинцев и высокогорной популяции перуанцев, а также популяций Восточной и Южной Азии.

Обсуждение

Резюме результатов исследования

Проведенное исследование выявило два различных механизма генетической адаптации балкарцев к высокогорью. В отличие от тибетских и андских популяций, у балкарцев по гену EGLN1 не наблюдалось позитивного отбора, направленного на увеличение частоты «адаптивного» аллеля. Вместо этого был обнаружен признак сбалансированного отбора, выражающийся в селективном преимуществе гетерозигот. В то же время, по гену SPRTN у балкарцев зафиксированы признаки классического позитивного отбора, аналогичного универсальным адаптивным сценариям. Таким образом, адаптация балкарцев к гипоксии демонстрирует уникальное сочетание специфического и универсального эволюционных путей.

Интерпретация результатов исследования

В ходе исследования распределения генотипов rs479200 гена EGLN1 в популяции балкарцев было вычислено значение критерия χ² = 10,78. При числе степеней свободы df = 1 полученное значение превышает критическое для уровня значимости p <0,01 (χ²крит = 6,63), что позволяет отвергнуть нулевую гипотезу о соответствии наблюдаемого распределения ожидаемому в условиях равновесия Харди-Вайнберга. Обнаруженная диспропорция в распределении генотипов может быть обусловлена действием одного или нескольких эволюционных факторов, включая инбридинг, естественный отбор или миграционные процессы. Основываясь на имеющихся данных, невозможно точно определить причину такого отклонения, однако действие естественного отбора представляется наиболее разумным объяснением данного феномена. В то же время в популяции кабардинцев, анализируя значение χ², на распределение генотипов отбор не оказывал существенного влияния. Генетическая структура популяции по данному признаку находится в равновесном состоянии.

При сравнении в таблице сопряженности распределения частот аллелей (таблица 4), между балкарцами и кабардинцами не были выявлены статистически значимые отличия, однако при подобном сравнении гетерозигот, было получено значение p=0,012, что указывает на имеющееся статистически значимое отличие в частоте распределения гетерозигот по варианту rs479200 гена EGLN1 у балкарцев по сравнению с кабардинцами. Тот факт, что различия обнаружены именно в гене EGLN1, критически важном для адаптации к условиям гипоксии, может свидетельствовать в пользу того, что более высокая гетерозиготность у балкарцев представляет собой адаптацию к специфическим горным условиям проживания. Гетерозиготный генотип, по-видимому, обеспечивает оптимальный физиологический компромисс, дающий преимущество в горной среде и тем образом является примером действия сбалансированного отбора, когда гетерозиготы имеют селективное преимущество перед обеими формами гомозигот.

В то же время частота аллеля G варианта rs479200 гена EGLN1 в популяции балкарцев составила лишь 32,9%. Для сравнения, в высокогорных популяциях Тибета и Анд, адаптированных к условиям гипоксии, частота данного аллеля достигает 71% и 80% соответственно, что связывают с действием позитивного отбора [7, 15]. Наблюдаемый диссонанс в распределении аллельных частот позволяет предположить, что он не несет значимой адаптивной функции в контексте гипоксии у балкарцев, и, следовательно, не подвергался интенсивному позитивному отбору. В этом случае адаптация к высокогорным условиям у балкарцев могла быть обеспечена отбором по другим генетическим локусам, ассоциированным с кислородтранспортными путями. Вторым возможным объяснением может служить гипотеза порогового воздействия гипоксии, из которой можно предположить, что средняя высота проживания балкарской популяции может быть недостаточной для создания устойчивого селективного давления, необходимого для закрепления аллеля G rs479200 с высокой частотой и интенсивность отбора могла не достигать порогового значения, наблюдаемого в более высокогорных регионах Тибета и Анд.

Таким образом, сравнительно низкая частота аллеля G rs479200 у балкарцев свидетельствует либо о его незначимой роли в адаптации, либо о том, что давление среды, в виде гипоксии, в ареале проживания балкарцев недостаточно сильно для инициации сопоставимого по масштабам селективного процесса.

Распределение генотипов и аллелей варианта rs2437150 гена SPRTN продемонстрировало статистически значимые различия между популяциями балкарцев и кабардинцев (таблица 5), отражающие возможные расхождения в направлениях эволюционных и адаптивных процессов. В популяции балкарцев доля гомозигот по минорному аллелю (C) составила 14,4%, что более чем в три раза превышает аналогичный показатель у кабардинцев (3,8%). Такое смещение частот указывает на возможное воздействие дифференцирующих факторов, включая естественный отбор, изоляцию вследствие географических и демографических барьеров, а также локальные адаптационные процессы.

Анализ соответствия распределения генотипов равновесию Харди–Вайнберга выявил значимые отклонения в обеих выборках (χ² = 5,25; p = 0,022 у балкарцев и χ² = 14,7; p = 0,0001 у кабардинцев), что может свидетельствовать о неслучайном характере распределения генотипов. Такие отклонения нередко наблюдаются в условиях действия естественного отбора или при наличии субструктур внутри популяций, особенно в случае, если полиморфизм связан с адаптивными признаками, значимыми для выживания в специфических экологических условиях.

Примечательно, что рассчитанная частота «адаптивного» аллеля в популяции балкарцев составила 43,94% (95% ДИ: 37,9–50,2), что значимо выше, чем у кабардинцев (33,58%; 95% ДИ: 27,9–39,7). Учитывая, что балкарцы традиционно проживают в более высокогорных районах, где условия гипоксии выражены сильнее, повышенная частота данного аллеля может отражать результат естественного отбора, направленного на повышение устойчивости к хронической гипоксии. В то же время более низкие значения у кабардинцев, населяющих преимущественно предгорные и равнинные территории, согласуются с ослабленным действием аналогичных селективных факторов.

Следовательно, выявленные различия в частотах генотипов и аллелей rs2437150 гена SPRTN между балкарцами и кабардинцами указывают на популяционно-генетическую дивергенцию, вероятно связанную с разной степенью адаптации к условиям проживания. Полученные данные косвенно подтверждают участие варианта rs2437150 в формировании адаптивных фенотипов, опосредованных функцией гена SPRTN в механизмах репарации ДНК и клеточном ответе на оксидативный стресс, что может играть роль в устойчивости к физиологическим последствиям гипоксии на больших высотах.

Таким образом, несмотря на общепризнанное генетическое сходство популяций Северного Кавказа [23], выявленные значимые различия в распределении генотипов и аллелей ключевых генов гипоксии убедительно свидетельствуют о существенной роли локальных адаптивных процессов, связанных с высотой проживания.

Заключение

Проблема исследования состояла в неизученности роли конвергентных для Анд и Тибета генетических адаптаций (EGLN1, SPRTN) у высокогорного населения Кавказа. Целью была оценка вклада этих вариантов в адаптацию балкарцев. Результаты выявили сложную картину: по гену EGLN1 у балкарцев не зафиксирован позитивный отбор на повышение частоты «адаптивного» аллеля G, однако выявлен сбалансированный отбор в пользу гетерозигот, что указывает на уникальный путь адаптации. В отличие от этого, по гену SPRTN обнаружены признаки позитивного отбора — достоверно более высокая частота потенциально адаптивного аллеля у балкарцев по сравнению с кабардинцами. Таким образом, популяция балкарцев демонстрирует как уникальные (сбалансированный отбор по EGLN1), так и универсальные (позитивный отбор по SPRTN) механизмы адаптации. Полученные данные вносят вклад в понимание общих закономерностей и популяционной специфики эволюции человека в условиях высокогорья

About the authors

Murat A. Dzhaubermezov

Ufa University of Science and Technology; Institute of Biochemistry and Genetics, Ufa Federal Research Center of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: murat-kbr@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1570-3174
SPIN-code: 1066-3369
Russian Federation

Gulnara A. Akhmadullina

Ufa University of Science and Technology

Email: ahmadullina2002@mail.ru

Natalia V. Ekomasova

Ufa University of Science and Technology; Institute of Biochemistry and Genetics, Ufa Federal Research Center of the Russian Academy of Sciences

Email: trofimova_nata_@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3996-5734
SPIN-code: 6528-4117

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Ufa; Ufa

Liliya R. Gabidullina

Ufa University of Science and Technology

Email: liliya.gab@gmail.com
ORCID iD: 0009-0007-1575-2642
SPIN-code: 2799-0206
Russian Federation, Ufa

Zemfira R. Sufyanova

Ufa University of Science and Technology

Email: zemfira.sufyanova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5416-2214
SPIN-code: 5287-5381

Alfiya K. Nurgalieva

Ufa University of Science and Technology

Email: alfiyakh83@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6077-9237
SPIN-code: 9658-8010

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Ufa

Yuliya Y. Fedorova

Ufa University of Science and Technology

Email: fedorova-y@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9344-828X
SPIN-code: 5497-0441

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Ufa

Darya S. Prokofyeva

Ufa University of Science and Technology

Email: dager-glaid@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0229-3188
SPIN-code: 7918-4737
Scopus Author ID: 57207892550

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Ufa

Elza K. Khusnutdinovna

Ufa University of Science and Technology; Institute of Biochemistry and Genetics, Ufa Federal Research Center of the Russian Academy of Sciences

Email: elzakh@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2987-3334
SPIN-code: 7408-9797
ResearcherId: A-4810-2013

Dr. Sci. (Biology)

Russian Federation, Ufa; Ufa

References

Supplementary files