Генетическая генеалогия и классическая

Александр Казаров – выпускник биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, биохимик. На его счету – пять лет изучения генетики вирусов в научно-исследовательской лаборатории Института полиомиелита и вирусных энцефалитов (сейчас – Федеральный научный центр исследований и разработки иммунобиологических препаратов им. М. П. Чумакова РАН). В прошлом месяце Александр присоединился к Familio DNA как один из ведущих специалистов проекта. Александр приоткрывает завесу тайны над ДНК-генеалогией и рассказывает, что надо знать о генетических методах определения родства в поисках семейной истории.

Основы генетической генеалогии

О генетических методах изучения родства в мире заговорили не вчера, но в России эта сфера пока еще выглядит этаким «черным ящиком», «неизвестной землей». Что же может дать ДНК-тест россиянину, интересующемуся своим происхождением, и как разобраться в его результатах? И вообще, не шарлатанство ли ДНК-генеалогия? Заметим, что эту дисциплину точнее было бы называть «генетической генеалогией», а «ДНК-генеалогия» – это хоть и привычный, но все-таки немного жаргон. Попробуем разобраться – кому и на каком этапе изучения родственных связей может пригодиться ДНК-тест и какие именно задачи можно решить таким способом.

Наши дальние предки и родители передали нам своеобразный дизайн-проект, который хранится внутри наших клеток в виде «библиотеки из 46 книг». ДНК-библиотека написана химическим языком и является набором инструкций, который передается из поколения в поколение. 46 томов – это 46 хромосом, содержащих записи, полученные от обоих родителей. С точки зрения молекулярной биологии каждая хромосома – это отдельная молекула ДНК. У каждой хромосомы, полученной от мамы, есть пара, полученная от папы, – хромосомы в каждой паре похожи друг на друга, а отличаются примерно так, как наши родители отличаются друг от друга. В каждой материнской хромосоме есть сегменты, которые наша мама получила от своих папы и мамы, то есть от наших дедушки и бабушки, и чем дальше по поколениям мы уходим, тем больше можем насчитать предковых линий, которые оставили след в наших хромосомах, – хотя здесь есть свои ограничения, о которых мы еще скажем.

Среди 46 хромосом есть одна особенная пара так называемых половых хромосом (остальные 44 хромосомы принято называть аутосомами). Их обозначают X и Y, и они, помимо прочего, определяют пол будущего ребенка: если он получил от мамы и папы две Х-хромосомы – родится девочкой, а если от отца получил Y-хромосому – мальчиком.

Y-хромосома особенно важна для ДНК-генеалогии и даже для популяционной генетики (дисциплины, изучающей генетику целых этносов, а не отдельных семей):

• во-первых, она передается только от отца к сыну,
• во-вторых, в сравнении с другими хромосомами она гораздо меньше подвержена изменениям со временем.

Именно с помощью Y-хромосомы мы можем проследить родство только по прямой мужской линии, но зато далеко вглубь по поколениям. По сути, мы можем проследить наше родство вообще до первых людей и далее, к предкам человека.

В клетке человека есть еще особая малая ДНК, которая находится не в ядре (как хромосомы), а в митохондриях. Откуда в этих «внутриклеточных электростанциях» своя ДНК – история увлекательная, но она уведет нас в глубины биологической науки. Для нас важно, что эта митохондриальная ДНК (сокращенно – мтДНК) тоже наследуется, но только от матери к ее детям (сыновьям и дочерям), а вот отцовские митохондрии по наследству не передаются. Анализ мтДНК позволяет проследить родство по прямой женской линии – тоже на много поколений назад.

Можно сказать, что в клетке человека есть три вида генеалогических источников: Y-хромосома, мт-ДНК и аутосомы (а также Х-хромосома, которую изучают вместе с ними). Каждый из этих источников имеет свое применение и свою ценность.

Этнический профиль – закономерности и ошибки

Надо понимать, что сама по себе информация, содержащаяся в ДНК, мало что значит для исследователя, если ее не с чем сравнить. Образно говоря, национальность или фамилия в ДНК не закодирована. Для того чтобы сделать выводы о родстве или о принадлежности к какой-то этнической либо территориальной группе, нужно иметь возможность сравнить свой тест ДНК с тестами потенциальных родственников или с эталонными образцами от «соплеменников».

Ученые задумались о генетических различиях разных народов почти век назад, а ближе к концу XX века стали появляться методы, подходящие для изучения этого вопроса. Составлялись эталонные коллекции (так называемые референсные выборки) образцов ДНК представителей разных народов и субэтнических групп. Подбор людей для такой коллекции – дело непростое, так как нужно, чтобы все четыре предка во втором поколении происходили из одного региона или этноса. При этом коллекция должна быть достаточно большой – нужны десятки, а желательно сотни людей.

Если сравнить образцы из коллекций, собранных у представителей двух разных народов, то можно увидеть в их «ДНК-книгах» определенные «места в тексте», которые более характерны для одного народа и менее характерны для другого. Причем редко бывает так, что какое-нибудь «слово» встречается исключительно у русских и, скажем, совсем не встречается у татар. Чаще всего это не абсолютные отличия, а количественные соотношения: допустим, «слово», которое есть у 2/3 русских, встречается, например, только у одного татарина из десяти.

Изучая эти закономерности, можно составить «генетические портреты» народов, которые интересуют нас с точки зрения генеалогии или популяционной генетики. А дальше, используя технологии анализа «больших данных», создать компьютерный алгоритм, распознающий этническое происхождение конкретного человека по ДНК.

Здесь важно помнить, что научная методика – это не магия. У любой технологии есть свои ограничения, сильные и слабые стороны. Хорошо распознаваться будут представители тех народов, которые достаточно глубоко изучены, – есть хорошие референсные выборки не только для народа в целом, но и для его субэтнических групп.

Очень сложно создать алгоритм, одинаково хорошо распознающий все этносы мира или даже все народы России. Довольно непросто распознавать и образцы людей, имеющих смешанное происхождение. Поэтому далеко не всегда анализ этнического происхождения удовлетворит заказчика, но всё же удачных примеров существенно больше, чем «сбоев».

Мы в FamilioDNA обрабатываем данные тестов ДНК (сделанных в других компаниях) специальными математическими алгоритмами, затем полученные результаты сравниваются с типичными для различных этнопопуляционных групп. В итоге наши клиенты получают более детальную информацию о своем этническом происхождении.

Что еще можно узнать из аутосомного теста

Выше мы описали, как определяют этническое происхождение (или этнический профиль) по результатам аутосомного ДНК-теста (то есть анализа тех хромосом, которые не относятся к половым). Есть и другие вопросы, на которые может дать ответ этот вид тестирования.

Мы можем сравнивать наш результат не только с эталонными коллекциями, но и с образцами отдельных людей, которые сдали тест в этой же компании или загрузили свои результаты в эту же базу данных. Как мы писали выше, каждый человек наследует половину своей ДНК от каждого из родителей. Если у двух людей есть общий предок, то каждый из них унаследует от него какую-то долю ДНК. Значит, есть шанс, что часть их ДНК (та, которую они оба унаследовали от этого предка) будет совпадать.

Очевидно, чем ближе их родство – тем большую долю совпадающей ДНК можно ожидать. Скажем, у дяди и племянника в среднем совпадает около 1/4 ДНК, а вот у троюродных сестёр – всего около 1/32. Наследование – процесс случайный, и с каждым следующим поколением влияние случайных факторов увеличивается. Если общий предок отстоит более чем на пять поколений, далеко не все его потомки будут иметь общие участки ДНК. И наоборот – иногда совпадающие сегменты ДНК обнаруживаются у родственников и в десятом колене. Здесь сказывается ограничение метода – родство в более далеких поколениях надежно установить таким способом вряд ли получится.

Очевидно, не всем повезет найти родственников сразу после того, как получен результат ДНК-теста. Скажем, если вы сдаете тест в одной из зарубежных компаний (23andMe, MyHeritage, FamilyTreeDNA и т.д.), в их коллекциях, среди миллионов образцов, доля россиян будет довольно скромной. С другой стороны, в базах данных российских компаний (Генотек и Атлас) удельный вес образцов из России намного выше, но сами эти базы пока не столь велики. Тем не менее каждый день всё новые и новые пользователи сдают тесты и загружают свои данные – поэтому письмо от перспективного «совпаденца» вы можете получить и через год после того, как сами сдали тест. Стоит запастись терпением и настроиться на «игру в долгую».

Для более эффективного поиска потенциальных родственников вносите максимально полные данные о себе и своих предках в профиль личного кабинета и делайте эти данные доступными для других пользователей. Здесь придется нащупать свой личный баланс между эффективностью поиска и конфиденциальностью. Еще один «лайфхак» – загляните в свое генеалогическое древо, выберите представителей каждой из ваших предковых линий и предложите им тоже сдать ДНК-тест. Таким способом вы не только увеличите шансы найти новых родственников, но и сможете более надежно определить, к какой линии относился ваш общий предок.

Помимо информации о происхождении, ДНК-тест открывает много медицинских данных. Это передний край науки, где новые открытия появляются практически в реальном времени. Можно сказать, что медицинский аспект есть и в генеалогии – по заболеваниям предков можно предсказать, каким заболеваниям с наибольшей вероятностью подвержены их потомки. Классический пример из истории – гемофилия А, нарушение свертываемости крови, передающееся по женской линии, но проявляющееся только у мужчин. Именно этим недугом, унаследованным от матери, страдал цесаревич Алексей Романов.

В некоторых областях результаты ДНК-теста имеют диагностическую ценность, сравнимую с традиционным медицинским обследованием. Недавний пример: актриса Анджелина Джоли, узнав, что риск возникновения рака молочной железы для нее составляет 87 процентов, согласилась на профилактическую операцию по удалению груди. Это было ее личным решением, но отнюдь не эмоциональным – медицинские основания были существенными.

Ключ к далекому прошлому

Скажем еще несколько слов о других ДНК-генеалогических источниках – Y-хромосоме и мтДНК. Как мы помним, они наследуются только по прямой линии (соответственно мужской и женской) и мало подвержены изменениям в течение многих поколений. Здесь нужно пояснить: точечные изменения (мутации) со временем всё же происходят. Эти небольшие изменения составляют как бы индивидуальный портрет – список особенностей Y-хромосомы и мтДНК конкретного человека, который принято называть «гаплотипом».

Другое важное понятие – гаплогруппа, то есть группа родственных друг другу гаплотипов. Родственники могут быть как далекими, так и близкими, – так же и гаплогруппы могут выделяться на очень высоком уровне, когда общий предок мог жить десятки или даже сотни тысяч лет назад, или на более низком уровне, что намного ближе к «генеалогической эпохе».

Гаплогруппы разного уровня образуют иерархическую структуру, которую обычно изображают в виде дерева. Гаплогруппы самого высокого уровня принято обозначать большими латинскими буквами (A, B, C, … R). Следующий уровень обозначают, добавляя цифру (R1, R2), далее – еще одну латинскую букву (R1a, R1b) и так далее. Гаплогруппы более низкого уровня сейчас принято обозначать не длинным набором букв и цифр, а индексом мутации, которая объединяет всех представителей этой гаплогруппы и отличает ее от соседних ветвей дерева. Например, к гаплогруппе R-M269 относятся 95% всех представителей гаплогруппы R1b, в основном жителей Западной Евразии. Однако в пределах гаплогруппы R1b есть более древняя ветвь R-V88 – ее представители встречаются в Центральной Африке и не имеют мутации M269.

Заказав стандартный коммерческий ДНК-тест, вы, скорее всего, получите информацию о своих гаплогруппах (по Y-хромосоме и мт-ДНК). Однако это будут гаплогруппы высокого или, если повезет, среднего уровня. Для того чтобы изучить свой гаплотип более глубоко, существуют специализированные тесты, которые предлагают некоторые компании (например, FamilyTreeDNA и YSEQ).

Если вы обнаружили потенциального родственника и видите, что оба принадлежите к гаплогруппе R1b, не стоит делать вывод о том, что у вас есть общий предок по мужской линии пределах «генеалогической эпохи». Конечно, все представители гаплогруппы R1b друг другу родственники по мужской линии, но все-таки очень далекие.

История и этика

ДНК-генеалоги и ученые, изучающие генетику современных и древних этносов, совершили немало ярких открытий, как в масштабе «большой науки», так и на уровне «семейной истории». Генетик и антрополог Олег Балановский с коллегами – биологами и лингвистами – сопоставлял генетические и языковые взаимосвязи у народов Северного Кавказа. Генеалог Юрий Шарыпов, совместив архивные данные с результатами ДНК-теста, нашел для двух родов с разными фамилиями – Волохиных и Рыбиных – общего предка, жившего на Урале в 1620-е годы.

Для любой науки полезна практическая проверка ее методов. Методы ДНК-генеалогии применяются в криминалистике и иногда помогают найти виновного через десятилетия после совершенного преступления. Яркий пример – «Убийца из Золотого штата», который совершил целую серию преступлений в Калифорнии еще в 1980-х годах. Казалось, найти его нет шансов, но в 2018 году образец его ДНК, выделенный из окровавленного фрагмента одежды, был протестирован в коммерческой лаборатории. В базе данных обнаружились родственники, а дальше в работу вступили профессиональные генеалоги, буквально «вслепую» составившие родословное древо и указавшие, кем мог быть потенциальный убийца. Подозреваемый был арестован и дальнейшее расследование полностью подтвердило выводы ДНК-генеалогов. Теперь, кстати говоря, такое расследование сделать намного сложнее из-за законов о биоэтике и защите персональных данных.

Сдавать или не сдавать?

Каждый сам решает, сдавать или не сдавать ДНК-тест и в какой момент. Кто-то торопится сдать тест как можно скорее и с нетерпением ждет любых результатов. Другие, напротив, лишь зайдя в тупик в генеалогических поисках, решаются прибегнуть к этому методу в надежде преодолеть «глухую стену». В обоих случаях успех возможен, хотя и не гарантирован. Но даже если ДНК-тест не продвинет вас в изучении своих предков, вы, возможно, внесете вклад в развитие «большой науки». Лично мне это кажется не менее важным, чем открытия в области семейной истории.