The structure of Khakass gene pool has been investigated: Y-chromosome haplogroup compositions and frequencies were described in seven population samples of two basic subethnic groups, Sagai and Kachins, from three geographically separated regions of the Khakass Republic. Eight haplogroups were detected in the Khakass gene pool: C3, E, N*, N1b, N1c, R1a1a, and R1b1b1. The haplogroup spectra and the genetic diversity by haplogroups and YSTR haplotypes differed significantly between Sagai and Kachins. Kachins had a low level of gene diversity, whereas the diversity of Sagai was similar to that of other South-Siberian ethnic groups. Sagai samples from the Askizskii district were very similar to each other, and so were two Kachin samples from the Shirinskii district, while Sagai samples from the Tashtypskii district differed considerably from each other. The contribution of intergroup differences among ethnic groups was high, indicating significant genetic differentiation among native populations in Khakassia. The Khakass gene pool was strongly differentiated both by haplogroup frequencies and by YSTR haplotypes within the N1b haplogroup. The frequencies of YSTR haplotypes within the chromosome Y haplogroups N1b, N1c, and R1a1 were determined and their molecular phylogeny was investigated. Factor and cluster analysis, as well as AMOVA, suggest that the Khakass gene pool is structured by territory and subethnic groups.

Исследовали структуру генофонда хакасов по составу и частоте гаплогрупп Y-хромосомы в семи популяционных выборках из трех территориально дистанцированных районов Республики Хакасия из двух основных субэтнических групп – сагайцев и качинцев. В генофонде хакасов обнаружено восемь гаплогрупп: C3, E, N*, N1b, N1c, R1a1a и R1b1b1. Имеются значительные различия между качинцами и сагайцами по спектру гаплогрупп и уровню генетического разнообразия по гаплогруппам и YSTR-гаплотипам. Выборки из группы качинцев характеризуются низким значением генного разнообразия, а уровни разнообразия сагайцев и популяций, представляющих другие южносибирские этносы, сходны. Выборки из группы сагайцев, проживающих в Аскизском районе, очень сходны друг с другом, как и две выборки качинцев из Ширинского района, а выборки сагайцев Таштыпского района существенно отличаются друг от друга. Доля межгрупповых различий между этническими группами очень высока, что свидетельствует о значительной генетической дифференциации коренного населения Хакасии. Генофонд хакасов дифференцирован как по частотам гаплогрупп, так и по YSTR-гаплотипам в пределах гаплогруппы N1b. Определены частоты и изучена молекулярная филогения YSTR-гаплотипов в пределах гаплогрупп N1b, N1c и R1a1 Y-хромосомы. Результаты факторного, кластерного и дисперсионного анализа свидетельствуют о структурированности хакасского генофонда в корреляции с территориально-субэтническим принципом их подразделения.

For the first time, DNA methylation patterns in the human cytotrophoblast and the extraembryonic mesoderm were determined using a genome-wide Infinium HumanMethylation27 BeadChip Array (Illumina, United States). These tissues are derivatives of the trophectoderm and the inner cell mass of the blastocyst and have substantial differences in the dynamics of epigenetic genome reprogramming during early stages of differentiation. It was shown that the genome of the extraembryonic mesoderm cells was more methylated than that of the cytotrophoblast, similarly to the findings in other mammalian species. There were differences in the methylation patterns of single CpG dinucleotides and dinucleotides located within promoter CpG islands: in both tissues most single CpG dinucleotides were methylated, promoters CpG island sites were not. A comparative analysis revealed 202 differentially methylated genes in the extraembryonic mesoderm and 40 such genes in the cytotrophoblast. These genes are responsible for a number of diverse biological processes. However, in the extraembryonic mesoderm, a majority of genes identified were responsible for DNA binding and transcriptional factor activity, whereas those identified in the cytotrophoblast were responsible for transport and protein and cytokine secretion.

Впервые с помощью метилочипа “Infinium HumanMethylation27 BeadChip” (“Illumina”, США) установлен характер метилирования ДНК в цитотрофобласте хориона и во внезародышевой мезодерме человека – плацентарных тканях, которые являются производными трофэктодермы и внутренней клеточной массы бластоцисты и отличаются по динамике эпигенетического репрограммирования генома на самых ранних этапах дифференцировки. Установлено, что геном клеток внезародышевой мезодермы более метилирован, чем цитотрофобласт, что подтверждает данные, полученные ранее при исследовании других видов млекопитающих. Обнаружены отличия в характере метилирования одиночных CpG-динуклеотидов и динуклеотидов, локализованных в пределах промоторных CpG-островков. Большинство одиночных CpG-динуклеотидов в обеих обследованных тканях находится в метилированном состоянии, тогда как сайты в промоторных CpG-островках преимущественно не метилированы. При сравнительном исследовании идентифицировано 202 дифференциально метилированных гена во внезародышевой мезодерме и 40 генов в цитотрофобласте хориона. Все они отвечают за разнообразные биологические процессы, но во внезародышевой мезодерме основная часть генов контролирует связывание ДНК и активность транскрипционных факторов, а в цитотрофобласте – транспорт и секрецию белков и цитокинов.

Epigenetic mechanisms of cell cycle regulation providing for maintenance of genome stability and precise transmission of hereditary information to the daughter cells attract considerable interest. Up-to-date molecular technologies allow the genome-wide methylation pattern to be determined in a single experiment. In this work, we pioneered in determining the epigenetic status of the placental tissues of the human embryos with mosaic karyotype using a genome-wide Illumina Infinium HumanMethylation27 BeadChip array (Illumina, United States), comprising 27578 CpG dinucleotides contained in 14475 genes. The groups of genes associated with the cell cycle and its regulation that contain differentially methylated CpG sites in their promoter regions have been determined. It was demonstrated that the methylation level most frequently changed in oncogenes (ARHGEF1 and FGF5), tumor suppressors (APC2, BRACA2, DCC, GRLF1, RB1, TP73, TSPYL2, and VHL), and the genes involved in the regulation of chromosome segregation (CNTROB, GMNN, PROCR, and TACC1).

Эпигенетические механизмы регуляции клеточного цикла, обеспечивающие поддержание стабильности генома и точную передачу наследственной информации дочерним клеткам, вызывают большой интерес. Современные молекулярные технологии позволяют определить статус метилирования всего генома в ходе одного исследования. В данной работе эпигенетический статус плацентарных тканей эмбрионов человека с мозаичным кариотипом впервые исследован с помощью метилочипа “Infinium HumanMethylation27 BeadChip” (“Illumina”, США), содержащего 27 578 CpG-динуклеотидов, локализованных в 14 475 генах. Установлены группы генов, имеющих отношение к клеточному циклу и его регуляции, в промоторной области которых CpG-сайты дифференциально метилированы по сравнению с контролем. Показано, что наиболее часто изменяется уровень метилирования онкогенов (ARHGEF1, FGF5), онкосупрессоров (APC2, BRACA2, DCC, GRLF1, RB1, TP73, TSPYL2, VHL), а также генов, участвующих в регуляции сегрегации хромосом (CNTROB, GMNN, PROCR, TACC1).

Genome-wide association studies are currently considered as one of the most powerful tools for establishing the genetic basis of complex diseases. A number of such studies have been carried out for allergic diseases; however, in the Russian population, this analysis has not been performed so far. For the first time, we performed a genome-wide association study of allergic diseases in Russian residents of West Siberia. Two new loci associated with childhood bronchial asthma (20q13.12, rs2425656, P = 1.99 × 10−7; 1q32.1, rs3817222, rs12734001, P = 2.18 × 10−7 and 2.79 × 10−7, respectively) as well as one locus associated with allergic rhinitis (2q36.1, rs1597167, P = 3.69 × 10−7) were identified. Genes located in these loci, YWHAB and PPP1R12B for asthma and KCNE4 for allergic rhinitis, are suggested as new candidate genes for these diseases. It was also found that BAT1 (6p21.33), MAGI2 (7q21.11), and ACPL2 (3q23) are probably common (syntropic) genes of allergic disease and atopic sensitization. It was shown that RIT2 (18q12.3) and FSTL4 (5q31.1) genes can be involved in the control of lung function. The results of the study contribute to the body of data on genetic factors of allergy and expand the list of genes underlying these diseases.

Использование полногеномного анализа ассоциаций молекулярно-генетических маркеров с различными фенотипами в настоящее время рассматривается как один из наиболее эффективных методов определения генетических факторов мультифакторных заболеваний. Несколько таких исследований в случае аллергических заболеваний уже опубликовано, но в России такого анализа до сих пор не проводили. Нами впервые проведен полногеномный анализ ассоциации аллергических заболеваний с генетическими маркерами в популяции русских Западной Сибири. Обнаружено два участка генома, ассоциированных с детской бронхиальной астмой (20q13.12, rs2425656, P = 1.99 ? 10-7; 1q32.1, rs3817222, rs12734001, P = 2.18 ? 10-7 и 2.79 ? 10-7 соответственно), а также с аллергическим ринитом (2q36.1, rs1597167, P = 3.69 ? 10-7). Гены, расположенные в установленных регионах, – YWHAB и PPP1R12B (астма) и KCNE4 (аллергический ринит) – представляют собой новые гены-кандидаты для этих заболеваний. Кроме того, гены BAT1 (6p21.33), MAGI2 (7q21.11) и ACPL2 (3q23), возможно, являются общими (синтропными) генами аллергических болезней и атопической сенсибилизации. Не исключено также, что гены RIT2 (18q12.3) и FSTL4 (5q31.1) вовлечены в контроль функции внешнего дыхания. Результаты исследования дополняют информацию о генетических факторах аллергий и расширяют список генов, связанных с развитием этих болезней.

Mutation theory of atherogenesis proved by “loss of heterozygosity” and microsatellite instability in the area of atherosclerotic plaques is complemented by data on epigenetic variability of genetic loci involved in the pathologic process. However, only recently large-scale analysis of epigenetic modifications in the human genome became possible. For the first time, the quantitative microarray-based methylation profiling of 1505 CpG-sites in 807 genes was performed in atherosclerotic plaques of aorta and carotid artery from humans using the GoldenGate Methylation Cancer Panel I (Illumina, United States). One hundred and three (7%) CpG-sites in 90 (11%) genes were differentially methylated between tissue samples. The most pronounced differences in DNA methylation levels were registered for a site located in CpG-island of the imprinted gene H19. By comparing 90 genes that were differentially methylated between tissue samples in our study, 10 genes (ICAM1, GSTM1, IGFBP1, POMC, APOA1, IL1RN, INS, LTA, MMP3, THBS2) were overlapped with data in the Human Genome Epidemiology Network (HuGENet), in which they were identified as candidates for cardiovascular disease continuum.

Мутационная концепция атерогенеза, подтверждаемая “потерей гетерозиготности” и нестабильностью микросателлитов в области атеросклеротических бляшек, дополняется данными об эпигенетической вариабельности локусов, вовлеченных в патологический процесс. Однако только недавно появилась возможность крупномасштабного анализа эпигенетических модификаций генома. В представленной работе с использованием микрочипа на платформе GoldenGate Methylation Cancer Panel I (“Illumina”, США) впервые определен уровень метилирования 1505 CpG-сайтов в 807 генах в образцах атеросклеротических бляшек аорты и сонной артерии человека. Установлено дифференциальное метилирование 103 (7%) CpG-сайтов 90 (11%) генов. Наиболее существенные различия в уровне метилирования характерны для сайта, расположенного в CpG-островке импринтированного гена H19. В базе данных по генетической эпидемиологии человека (HuGENet) 10 из 90 генов, дифференциальное метилирование которых показано в нашей работе (ICAM1, GSTM1, IGFBP1, POMC, APOA1, IL1RN, INS, LTA, MMP3, THBS2), отнесены к генам, предположительно связанным с широким спектром патологий, составляющих сердечно-сосудистый континуум.

The sex ratio and X-chromosome inactivation were analyzed in placental tissues of human spontaneous abortuses with pure and mosaic forms of chromosome 16 trisomy. The sex ratio value was found to decrease with an increase in the share of cells with the trisomic karyotype, which suggests differential survival of embryos belonging to different sexes. The pattern of X-chromosome inactivation in cells of extraembryonic mesoderm in the control group of embryos and in spontaneous abortuses with the level of trisomy 16 below 80% corresponded to random X-inactivation, whereas in most embryos with a frequency of trisomy 16 exceeding 80% skewed inactivation was observed. Our results support the hypothesis about the existence of an autosomal transfactor influencing the initiation of X-chromosome inactivation and suggest its possible localization on chromosome 16.

Проведен анализ соотношения полов и характера инактивации Х-хромосомы в плацентарных тканях внутриутробно погибших эмбрионов человека с чистыми и мозаичными формами трисомии по хромосоме 16. Выявлена тенденция к снижению показателя “соотношение полов” с увеличением доли клеток с трисомным кариотипом, указывающая на дифференциальную жизнеспособность эмбрионов разного пола. Показано, что характер инактивации Х-хромосомы в клетках экстраэмбриональной мезодермы в контрольной группе зародышей и у спонтанных абортусов с уровнем трисомии 16 менее 80% соответствовал равновероятной, тогда как у большинства эмбрионов с частотой трисомии 16 более 80% была выявлена асимметричная инактивация. Полученные данные поддерживают гипотезу о существовании аутосомного транс-фактора, влияющего на инициацию инактивации Х-хромосомы, и указывают на его возможную локализацию на хромосоме 16.

This article is a review of scientific publications, in which issues of pathogenetics of multifactorial diseases (MFDs) are considered from the viewpoint of evolution and ontogeny. Concepts explaining significance of evolutionary processes in the formation of genetic architecture of human chronic diseases (“thrifty” genomes and phenotypes, “drifty genes,” decanalization) are analyzed. The roles of natural selection and genetic drift in the formation of hereditary diversity of genes for susceptibility to MFDs are considered. The modern concept of “disease ontogeny” (somatic mosaicism, loss of heterozygosity, paradominant inheritance, epigenetic variability) is discussed. It is demonstrated that the evolutionary and ontogenetic approaches to analysis of genimuc and other “-omic” data are essential for understanding the biology of diseases.

Представлен обзор научных публикаций, в которых вопросы патогенетики многофакторных заболеваний (МФЗ) рассматриваются с эволюционной и онтогенетической точек зрения. Анализируются некоторые концепции (“экономных генотипов и фенотипов”, “дрейфующих генов” деканализации), объясняющие значение эволюционных процессов в формировании генетической архитектуры хронических болезней человека. Приводятся данные о роли естественного отбора и генетического дрейфа в формировании наследственного разнообразия по генам подверженности хроническим болезням многофакторной природы. Рассматривается современная концепция “онтогенеза болезни” (соматический мозаицизм, потеря гетерозиготности, парадоминантное наследование, эпигенетическая вариабельность). Обосновывается, что эволюционный и отногенетический подходы анализа геномных и других “-омных” данных составляют в настоящее время основу для понимания биологии болезней.

A brief overview of the current views on the functional role of genetic VNTR polymorphism in humans is given. Data on the involvement of VNTRs in the regulation of gene expression and in the formation of complex phenotypes are presented. According to these data, the effects of VNTRs are determined by the number of repeats, the structure of their monomers and flanking haplotypes, epigenetic mechanisms (in the case of localization in imprinted regions) and can be modified by environmental factors. Some possible mechanisms of the influence of VNTRs on the level of expression are considered.