Пандемия COVID-19, с ее высокой смертностью и тяжелыми осложнениями, заставила мировое научное сообщество включиться в поиск ДНК-маркеров, связанных с коронавирусной инфекцией SARS-COV-2. Поскольку тяжесть заболевания COVID-19 неодинакова у представителей разных популяций мира, международный проект COVID-19 HGI начал сбор информации о встречаемости геномных вариантов ассоциированных с тяжелым течением COVID-19 [1]. Среди них ген LZTFL1 [2] отмечается как потенциальный маркер, связанный с двукратным увеличением риска тяжелого протекания COVID-19 [3].

Ген LZTFL1 экспрессируется в клетках легких человека и кодирует белок, участвующий в транспорте других белков к первичным ресничкам клеток мерцательного эпителия [4]. Клиническая значимость гена LZTFL1 была известна и ранее: он ассоциирован с синдромом Барде–Бидля 17-го типа (OMIM 615994) [5], аутосомнорецессивным заболеванием из группы цилиопатий [6, 7]. Семь белков BBS и BBIP10 образуют стабильный комплекс, известный как BBSome, обеспечивающий транспортировку белка к цилиарной мембране [8, 9], а снижение функции LZTLF1 может компенсировать недостаток белков BBS и восстановить подвижность ресничек [10].

В клетках легочного эпителия пациентов с COVID-19 выявлены изменения, связанные с тяжелым течением заболевания COVID-19 и ассоциированные с геном LZTFL1 [3, 11]: изменения в области хромосомы 3p21.31, включающей ген LZTFL1, приводят к двукратному увеличению риска дыхательной недостаточности [12, 13] и более чем двукратному увеличению риска смерти для лиц моложе 60 лет [11]. Исследование полиморфизма одного из вариантов гена LZTFL1 в населении Великобритании выявило связь риска смерти от COVID-19 с происхождением пациента: для больных из Южной Азии риск в 4 раза больше, чем для больных европейского происхождения. Этими различиями отчасти объясняют более высокий уровень смертности представителей южноазиатских народов в Великобритании [3].

Ассоциация гена LZTFL1 с тяжелым течением заболевания COVID-19, терапевтический потенциал и этногеографические различия требуют изучения его межпопуляционной изменчивости в населении мира. Научный коллектив располагает информационной базой, включающей массив собственных и литературных данных о геномах народов мира, которая уже обеспечила анализ изменчивости в населении мира (и России более детально) SNP-маркеров (rs11385942, rs657152), ассоциированных с тяжелым течением COVID-19 [14], и позволяет провести аналогичное исследование для 11 SNP-маркеров LZTFL1.

Цель исследования — изучить пространственную изменчивость SNP-маркеров гена LZTFL1, ассоциированного с тяжелым течением COVID-19 [15], в народонаселении: 1) провести поиск полиморфных SNP-маркеров гена LZTFL1, обеспеченных информацией об их встречаемости в коренном населении мира и Северной Евразии (более детально); 2) сформировать два репрезентативных массива популяционных данных об этих SNP-маркерах; 3) провести их многомерный статистический анализ; 4) создать картографический атлас распространения полиморфных SNP-маркеров LZTFL1 в популяциях коренного населения Северной Евразии и мира.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Два исходных массива ДНК-маркеров

Массив данных о коренном населении Северной Евразии представлен популяциями 97 этносов преимущественно из России, а также из большинства постсоветских стран и Монголии. Образцы ДНК предоставлены АНО «Биобанк Северной Евразии», технология формирования выборок приведена ранее [16]: в выборки включены образцы только неродственных индивидов, все деды и бабушки которых относились к данному этносу. Образцы из географически и исторически близких популяций, но с малыми выборками, объединены в метапопуляции [17]. Результирующий массив данных о коренном народонаселении Северной Евразии включил 28 метапопуляций (n = 1980) со средним размером выборки 140 хромосом.

Массив данных о коренном населении других регионов мира (n = 1657) включает данные по широкогеномным панелям Illumina, опубликованным в научной литературе и аккумулированным в БД «GG-base» [18]. Географически и исторически близкие группы объединены в метапопуляции с целью формирования репрезентативной выборки. Итоговый набор данных о коренном населении мира (n = 3637) включил 34 метапопуляции (64 популяции карт).

Отбор полиморфных маркеров гена LZTFL1

При биоинформатическом анализе обоих массивов данных выявлено 10 SNP-полиморфизмов гена LZTFL1, репрезентативно представленных в коренном населении Северной Евразии и остальных регионах мира. Из них два SNP-маркера указаны как достоверно ассоциированные с COVID-19: rs1058961 (3'-нетранслируемая область) и rs12493471 (2-й интрон) [1]. Остальные восемь SNP-маркеров исследовали впервые: rs11130077 (3-й интрон), rs17078408, rs1860264, rs2191031, rs2236938, rs6441929, rs7614952 и rs9842595 (2-й интрон). О маркере rs17713054, ассоциированном с тяжелым течением заболевания COVID-19 [3] (энхансер LZTFL1), отсутствует информация в БД «GG-base», поэтому его анализ проведен только для Северной Евразии.

Оценка неравновесия по сцеплению (LD R2) исследуемых 11 SNP-маркеров гена LZTFL1 дана по массиву данных Северной Евразии (приложение, табл. 1). Для маркера rs17713054 [3] выявлено  выраженное сцепление с rs12493471, ассоциированным с тяжелым течением COVID-19 [1], а также с rs2191031 и rs11130077.

Статистический и картографический анализ

Многомерный статистический анализ проведен по частотам тех 10 SNP-маркеров LZTFL1, для которых есть информация о популяциях и Северной Евразии, и мира (приложение, табл. 2, 3): для Северной Евразии — методом многомерного шкалирования (MDS) по частотам как всех 10 SNP, так и только 5 SNP, наименее сцепленных между собой (приложение, табл. 1); для мира — по частотам всех 10 маркеров методами анализа главных компонент (PCA) и MDS. MDS рассчитаны по матрицам попарных генетических расстояний Нея (d).

По частотам SNP-маркеров гена LZTFL1 построены карты их распространения в популяциях коренного населения Северной Евразии (11 SNP-маркеров) и мира (10 SNP-маркеров) с помощью оригинального ПО GeneGeo. На картах и в таблицах (приложение, табл. 2, 3; рис. В) указан номер каждой популяции, по которому ее легко идентифицировать. Карты созданы на основе сеточной цифровой модели, представляющей собой матрицу интерполированных значений частоты маркера в узлах регулярной сетки, вычисленных процедурой средневзвешенной интерполяции с весами, убывающими пропорционально кубу расстояния, по значениям во всех опорных точках, попавших в круг радиуса R (для Северной Евразии R = 3000 км, для мира R = 4200 км). Единые цветовая и числовая шкалы всех карт создают единство атласа.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Гетерогенность населения Северной Евразии по SNP-маркерам гена LZTFL1

Данные о частоте встречаемости отдельных SNP-маркеров в популяциях Северной Евразии представлены в табл. 2 в приложении. Но до анализа генетического ландшафта каждого из SNP-маркеров гена LZTFL1 необходимо распознать закономерности в изменчивости всей их совокупности (рис. 1).

Наиболее важной чертой взаиморасположения популяций России и сопредельных стран на графике многомерного шкалирования (рис. 1) оказалось их следование географической изменчивости по обеим осям — «север–юг» и «запад–восток».

«Северный» кластер, объединивший самые северные популяции Западной Сибири (ненцев, манси, хантов) и Дальнего Востока (ительменов, коряков, чукчей), противостоит всем остальным кластерам, расположившимся строго по оси «запад–восток». Однако в пределах каждого из «южных» кластеров популяции не следуют их географическому положению.

«Западный» кластер включил в себя и всех восточных славян (белорусов, русских, украинцев), и финноязычные народы России (бесермяне, карелы, коми-пермяки, мордва, удмурты).

«Урало-кавказский» кластер включил все народы Кавказа, Закавказья, Таджикистана и тюрок Урала (башкиры, поволжские татары, чуваши), а также финноязычных марийцев, вошедших в одну метапопуляцию с чувашами.

«Мезокластер» визуализирует переход генофондов от «Западного» кластера к «Восточному», объединяя те народы Южной Сибири и Евразийской степи, генофонды которых включают как древний европеоидный пласт, так и мощные поздние наслоения монголоидного населения (алтайцы, казахи, каракалпаки, киргизы, ногайцы, сибирские татары, туркмены, узбеки, уйгуры, хакасы).

«Восточный» кластер объединил все монголоязычные народы Северной Евразии (буряты, калмыки, народы Монголии), тувинцев (до середины ХХ века входивших в состав Монголии) и малочисленные народы Дальнего Востока (нанайцы, нивхи, ульчи, эвены).

Аналогичный анализ, проведенный по частотам пяти наименее сцепленных (LD R² < 0,2) SNP-маркеров, выявляет такую же структуру (приложение, рис. А) за исключением перехода поволжских татар в «Западный» кластер.

В целом, общий тренд изменчивости SNP-маркеров LZTFL1 в Северной Евразии согласуется и с географическим вектором «запад–восток», и с антропологическим вектором «европеоидность–монголоидность» (рис. 1).

Гетерогенность населения мира по SNP-маркерам гена LZTFL1

Глобальная изменчивость отдельных SNP-маркеров представлена в табл. 3 приложения, а закономерности по совокупности SNP-маркеров — на графиках главных компонент (рис. 2) и многомерного шкалирования (приложение, рис. Б). Поскольку полученные обоими методами результаты и структура кластеров близки, рассмотрим график главных компонент (рис. 2).

Прежде всего бросается в глаза, насколько высока в мировом масштабе изменчивость популяций России и сопредельных стран — они не вместились ни в один из пяти кластеров в пространстве 1 и 2 главных компонент мирового генофонда (рис. 2). «Западный» кластер России расположился в верхней части «Индоевропейского» мирового кластера между популяциями Северной и Центральной Европы. «Урало-Кавказский» кластер России разместился в противоположной части «Индоевропейского» — среди популяций Передней Азии и Южной Европы. Три «азиатских» кластера Северной Евразии в генетическом пространстве мира образовали свой собственный «Североазиатский» кластер, в котором расположились в соответствии с их происхождением: «Мезокластер» России тяготеет к «Индоевропейскому» кластеру мира; «Восточный» кластер России — к «Южноазиатскому» мира; «Северный» кластер России (включивший народы Чукотки и Камчатки) близок к «Американскому».

В целом, коренное народонаселение мира распределено по четырем кластерам в соответствии с частями света, но с поправками на антропологию населения (рис. 2). Три кластера включают популяции только «своей» части света:

Африки, Азии, Америки. Но «Индоевропейский» кластер сочетает географию и историю популяций, включив европеоидные популяции не только Европы, но и Азии (Индии, Пакистана, Афганистана, Ближнего Востока).

Иными словами, основной тренд изменчивости совокупности всех SNP-маркеров гена LZTFL1 в мире хорошо соответствует антропологическому делению населения мира. Причем все четыре кластера мира отдалены друг от друга, и лишь огромное генетическое разнообразие народов России и сопредельных стран является мостом, связующим три части света — Европу, Азию и Америку.

Геногеография 11 SNP-маркеров гена LZTFL1 в населении России и мира

Карты не являются «иллюстрацией», а добавляют к таблицам еще два измерения географического пространства, становясь эффективным и мощным инструментом анализа. Особое достоинство этого инструментария — возможность быстро охватить огромный объем информации благодаря ее невербальному представлению. Для каждого SNP-маркера LZTFL1 (кроме rs17713054, для которого нет информации в БД мира) мы создали по две карты его изменчивости: в коренном населении Северной Евразии и мира. Их сравнение позволяет выявлять и глобальные закономерности, и не упускать из вида собственный генетический ландшафт России. Каждая из 28 метапопуляций Северной Евразии отмечена на всех картах номером, позволяющим уточнить и название метапопуляции, и частоту SNP-маркера в ней (приложение, табл. 2). Информация позволяет ориентироваться в метапопуляциях мира (приложение, табл. 3, рис. В). Карты приведены в том же порядке, что и в табл. 1 приложения.

rs17713054. Пространственная изменчивость частоты rs17713054(А) в Северной Евразии (рис. 3А) мала, но отражает тренд «запад–восток»: как минимум на Дальнем Востоке, как максимум — в европейской части, где высокие значения частоты есть и на западе (Украина, 16%), и на северо-западе (Карелия, 14%), и в Уральском регионе (16%), и на Кавказе (14%). Поэтому можно рассматривать европейскую часть Северной Евразии как регион наиболее высокой частоты встречаемости этого SNP-маркера. Другой регион повышения частоты намечается в Таджикистане (р = 0,15), что может косвенно подтверждать более ранние выводы [3] о высоких частотах rs17713054 в южных районах Азии.

rs1058961. Генетический ландшафт rs1058961(А) в Северной Евразии (рис. 3Б) при более высокой средней частоте (30%) отражает схожую, но еще более сглаженную клинальную изменчивость снижения частоты с запада (43% у карел и вепсов) на северо-восток (20% на Дальнем Востоке). При этом обнаружены локальные минимумы на севере Западной Сибири (8%) и локальные максимумы в Средней Азии (37%).

При сравнении с мировой изменчивостью (рис. 3В) оказывается, что генетический ландшафт Северной Евразии практически полностью вписан в общий паттерн населения мира. Снижение частоты на Дальнем Востоке плавно переходит в снижение частоты на Аляске, снижение в коренном населении Северной Америки и падение до нуля в Южной Америке. Повышенные частоты в Европе постепенно переходят в максимальные частоты (87%) в Африке. Даже локальный максимум в Японии (46%) (рис. 3Б) находит отражение в повышении частоты в ЮгоВосточной Азии (42%).

rs12493471. Та же клинальная изменчивость «запад–восток» в Северной Евразии обнаружена и для rs12493471(А) (рис. 4А), сцепленного с rs17713054(А) (рис. 3А; приложение, табл. 1). Но градиент падения частоты с запада на восток выражен намного ярче и четче: максимумы (≈ 50%), охватывая европейскую часть России, почти не заходят за Урал. Падение частоты на востоке захватывает все регионы и снижается до нуля на Дальнем Востоке, в Японии и Китае. При этом пик частоты оказывается в Восточной Европе и Фенноскандии и снижается в Западной и Южной Европе.

Карта глобальной изменчивости (рис. 4Б) показывает, что максимум частоты в Восточной и Северной Европе является мировым максимумом — от него снижение частоты идет во всех направлениях с локальными максимумами (40%) в Индостане (влияние которого доходит до Памира) и в Океании.

rs11130077. В Северной Евразии клинальная изменчивость «запад-восток» характерна и для rs11130077(G) (рис. 4В). Незначительные отличия связаны со смещением максимумов в Фенноскандию (54%), но они вновь не преодолевают Урал и не заходят на Кавказ. Однако в азиатской части картина не столь однозначна, как на предыдущих картах. При снижении частоты в Сибири до 16–17% на Дальнем Востоке намечается некоторое повышение частоты до 20%, а в Южной Сибири — до 27%.

Изменчивость rs11130077(G) в населении мира (рис. 4Г) в целом вторит предыдущей карте за одним резким исключением: мировой максимум приходится не на Европу (53%), а на население Африки, в которой различия по этому маркеру велики: от 40% в Северной Африке до 82% у пигмеев Африки.

rs7614952. В отличие от предыдущих карт, генетический ландшафт rs7614952(А) (рис. 4Д) в Северной Евразии не отличается четкой закономерностью. Хотя максимальные значения по-прежнему находятся на западе региона и в направлении к Дальнему Востоку снижаются, но минимум частоты приходится на север Западной Сибири, а локальный максимум обнаружен не только в Европе, но и в Забайкалье.

В контексте мировой изменчивости (рис. 4Е) мы видим, что байкальский максимум является частью повышенных частот во всем регионе Восточной Азии. В этом наиболее яркое отличие от предыдущей карты: в Восточной Азии частоты rs11130077(G) минимальны (рис. 4Г), но по rs7614952(А) (рис. 4Е) они высоки. И напротив: вместо высоких частот в Индостане и Передней Азии мы видим резкое падение частоты rs7614952(А). Однако вновь мировой максимум находится в Африке, а мировой минимум — в Америке. rs2191031. Изменчивость rs2191031(А) в Северной Евразии невыразительна (рис. 5А) из-за чересполосицы локальных максимумов и минимумов. Минимум вновь находится на Дальнем Востоке (10%), а также на западе региона (18%) и в Западной Сибири (22%). Высокие частоты тянутся от Забайкалья (36%) через Южную Сибирь (34%) к Центральной Азии (36%), но характерны и для Поволжья (37%), и для Кавказа (34%).

Этот паттерн, однако, полностью вписан в ландшафт мировой изменчивости (рис. 5Б): снижение частоты в Западной Европе (16%) переходит в минимум в Западной и Восточной Африке (3%), а снижение частоты на Дальнем Востоке — в минимумы коренного населения Америки (0–4%). Максимумы юга Сибири и Центральной Азии являются частью области высоких частот Юго-Восточной и Южной Азии (35–40%), достигая мирового максимума в Океании (53%).

rs9842595. Еще менее выразителен генетический ландшафт rs9842595(А) (рис. 5В): повышенные частоты разбросаны по Северной Евразии: на Дальнем Востоке (19%), на севере (17%) и юге (15%) Европы, в Приуралье (12%) и на Кавказе (11%).

Ему вторит генетический ландшафт мира (рис. 5Г), практически весь охваченный областью низких частот за исключением Африки южнее Сахары, где частота маркера повышается до 33%.

rs1860264. Частота маркера rs1860264(C), напротив, нигде в Северной Евразии (рис. 5Д) не опускается ниже 22% и в целом следует общему тренду «запад–восток», хотя локальные минимумы и максимумы разбросаны в разных регионах. Так, полоса минимальных частот тянется через всю Западную Сибирь к Казахстану, но обнаруживается также в Приуралье и Прибалтике. А повышенные частоты выявлены не только на западе региона (50%), но и в Центральной Азии, Южной Сибири и в Прибайкалье (40–42%).

Карта глобального генетического ландшафта (рис. 5Е) показывает, что Евразия представляет собой постепенный переход от африканского максимума (97%) к американскому минимуму (0%).

rs6441929. Закономерность изменчивости rs6441929(G) вновь следует тренду «запад–восток» (рис. 6А), но наибольшие значения находятся на востоке с максимумом в Забайкалье (38%) и с минимальными частотами на Урале, Кавказе и в Прибалтике.

Такой ландшафт полностью вписан в мировой (рис. 6Б): деление Евразии на западную с низкими значениями и восточную с более высокими значениями длится на юг вплоть до границы между Индостаном и Юго-Восточной Азией. При этом Евразия в мировом масштабе не содержит экстремумов — они вновь обнаруживаются в Африке (максимумы) и в Америке (минимумы).

rs2236938. Генетический ландшафт rs2236938(А) вторит предыдущему (рис. 6В). Лишь западная зона минимумов выражена более ярко и четко, а в восточной зоне высоких частот появилась зона резкого снижения частоты на северо-востоке, тяготеющая к американскому мировому минимуму.

Мировой ландшафт rs2236938(А), тоже вторя предыдущему, более контрастен (рис. 6Г). В Африке частота повышается до 53%, но при этом Аравия, северная и северо-восточная Африка присоединились к западной Евразийской зоне низких частот. rs17078408. Завершает панораму маркер, практически отсутствующий на всем мировом пространстве (рис. 6Д, Е), кроме Африки, где частота rs17078408(C) достигает 48%.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Обобщая геногеографические ландшафты всех рассмотренных маркеров гена LZTFL1, связанного с риском тяжелого течения COVID-19, укажем на основные закономерности: 1) мировые экстремумы наиболее характерны для коренного населения Африки и Америки и, как правило, альтернативны; 2) Евразия обычно составляет переходную зону между этими двумя экстремумами, но обладает собственными закономерностями и огромным размахом изменчивости в мировом масштабе; 3) генетический ландшафт России органично вписан в Евразийский ландшафт.

Эти основные закономерности выполняются далеко не всегда.

Из первой закономерности есть два исключения. Минимальные частоты встречаемости rs12493471(A) сосредоточены и в Африке, и в Америке, и в Восточной Азии, а максимумы — в Европе и Индостане. Аналогично минимумы rs2191031(А) встречены и в Африке, и в Америке, вся Евразия занята высокими частотами, но максимум сосредоточен в Океании. Отметим, что коренное население Америки всегда подчинено единой закономерности — низкие частоты всех расмотренных маркеров снижаются до нуля в Южной Америке.

Из второй закономерности тоже есть исключения. Например, для rs11130077(G) мировой максимум характерен не только для Африки, но и для Северной Европы. Евразия является таким же сосредоточием низких частот встречаемости rs9842595(A), как и Северная Америка. А евразийский ландшафт rs6441929(G) хотя и промежуточен между африканским и американским экстремумами, но резко противоречит понятию «переходной» зоны: максимальные частоты африканского континента граничат с минимальными частотами в Европе и Индостане, а мировой минимум Америки граничит с высокими значениями частоты в Восточной Азии. Такая же евразийская «чересполосица» обнаружена и для rs2236938(А). Наиболее характерным для Евразии оказывается деление на «запад» и «восток» по 80-му меридиану, разделяющему Индостан и Юго-Восточную Азию на юге и, постепенно размываясь, доходящему до Северного Ледовитого океана. В эту закономерность не укладываются: rs1058961(А) (практически вся Евразия заняты высокими частотами); rs9842595(А) и rs17078408(С) (вся Евразия гомогенна по низким частотам этого маркера); rs2191031(А) (частота нарастает к югу, переходя в океанийский мировой максимум); слабо выражена для rs9842595(А). Но для половины маркеров LZTFL1 эта закономерность прослеживается четко.

Из третьей закономерности также есть исключения. Как правило, они связаны с локальными экстремумами — на севере Западной Сибири, на юге Средней Сибири и в Приуралье. Но в целом они не отменяют, а лишь оттеняют общую встроенность Российского генетического ландшафта в Евразийский.

ВЫВОДЫ

1. В пространственной изменчивости изученных SNPмаркеров гена LZTFL1, ассоциированных с тяжелым течением COVID-19, выявлены закономерности, характерные для коренного народонаселения России и мира. 2. В генетическом пространстве Северной Евразии основной закономерностью является следование географической изменчивости по двум осям: «север–юг» и «запад–восток». Этот тренд хорошо согласуется с антропологическим вектором «европеоидность– монголоидность». 3. Основной вектор глобальной изменчивости четко соответствует антропологическому делению населения мира. Кластеры коренного населения Африки, Азии и Америки включают популяции только «своей» части света. «Индоевропейский» кластер сочетает географию и историю популяций, включая европеоидные популяции и Европы, и Азии. 4. Все четыре кластера коренного населения мира отдалены друг от друга, и только огромное генетическое разнообразие народов России и сопредельных стран является мостом, связующим генофонды трех частей света — Европы, Азии и Америки. 5. Создан картографический атлас пространственной изменчивости 11 SNP-маркеров LZTFL1 в населении Северной Евразии и мира, выявивший основные закономерности в их генетических ландшафтах: а) мировые экстремумы приходятся на коренное население Африки и Америки; б) Евразия является переходной зоной между этими двумя экстремумами, но обладает собственными закономерностями; в) генетический ландшафт России органично вписан в Евразийский ландшафт.