Моделирование древних степных популяций

Мы смоделировали степные популяции как смеси ямной эпохи раннего бронзового века и фермеров ЛБК из Центральной Европы или Восточной Азии (представлены ханьцами). Мы применили метод qpWave / qpAdm, используемый в Haak et al. 26, который предоставляет статистический тест для количества потоков предков в тестовую популяцию и позволяет оценить пропорции смеси. В нашем приложении мы используем пять внешних групп: Ust_Ishim 40, Kostenki14 41, MA1 42, Papuan и Onge. Сначала мы вычислили ли тест и Ямная из Самары может происходить из единого потока предков. На следующем этапе мы включили тестирование фермеров LBK, могут ли Test, Yamnaya из Самары и фермеры LBK из Центральной Европы происходить из двух потоков предков, и в этом случае Test потенциально можно смоделировать как смесь двух других популяций. Наши результаты показывают, что скифы железного века и Ямная не произошли от единого потока предков (дополнительная таблица 23) и, более того, не могут быть смоделированы как смеси Ямной и ЛБК (дополнительная таблица 24). Поэтому мы рассмотрели альтернативную модель, в которой мы рассматриваем их как смесь Ямной и Хань (дополнительная таблица 25).). Эта модель подходит для всех скифских групп железного века, в соответствии с тем, что эти группы имеют родословную, связанную с восточноазиатскими племенами, которых нет в других популяциях. В качестве альтернативы скифские группы железного века также могут быть смоделированы как смесь Ямной и северносибирской нганасан (дополнительное примечание 2, дополнительная таблица 26).

Потомки скифов железного века

График многомерного масштабирования (MDS), основанный на расстояниях Рейнольдса (дополнительный рис. 1), предполагает, что древние скифские популяции из восточной и западной части Евразийской степи генетически ближе друг к другу, чем современные популяции соответствующих регионов. Анализы AMOVA, проведенные для современных и древних групп восточной и западной степи, еще раз подтвердили эту находку. Мы обнаружили, что значения F _CT были выше между современными популяциями Востока и Запада (F _CT = 0,0835), чем между древними популяциями аналогичных регионов (F _CT = 0,0262).

Был проведен тест на непрерывность между двумя группами железного века («запад» и «восток») и большим набором современных евразийских групп населения (n = 86, дополнительная таблица 19).). Для выборок западной скифской эпохи современные популяции с высокой статистической поддержкой генеалогического звена расположены в основном в тесной географической близости, тогда как современные группы с высокой статистической поддержкой происхождения восточных скифов распределены в более широком географическом диапазоне. Современное население, связанное с западными степными людьми железного века, можно найти среди различных этнических групп на Кавказе, в России и Центральной Азии (распространено во многих иранских и других индо-европейских говорящих группах), тогда как популяции с генетическим сходством с восточно-скифскими группами встречаются почти исключительно среди носителей тюркского языка (дополнительные рисунки 10 и 11).

Фенотипические маркеры

Производные аллели пигментных маркеров, которые отбираются у европейцев, присутствуют у восточных и западных скифов, в том числе у лиц, которые гомозиготны по производным аллелям в отобранных SNP в HERC2, SLC24A5 или SLC45A2 (ссылки 43, 44, 45). В двух локусах LCT, связанных с персистенцией лактазы, производный аллель наблюдается только у гетерозигот, только в образцах восточных скифов и с низкой частотой (2–3%). Аллельные предки в ADH1B rs3811801 и rs1229984 почти фиксированы в скифском наборе данных, как и у современных европейцев (производные аллели, которые придают некоторую устойчивость к алкоголизму, отбираются в Восточной Азии)46^, 47). Заметимпроизводный аллель в rs3827760 в ГДДИ гена в одном пазырыкского индивидуума (# 6 нарис. 2). Этотпроизводный от EDAR аллель, связанный с морфологией зубов и волос, выбирается и с высокой частотой у современных восточноазиатских (87%) 48 и очень редко встречается у современных европейцев (∼ 1%) 48, хотя он наблюдался у доисторических охотники-собиратели из Швеции (7,9–7,5 тыс. лет) 34. Таким образом, результаты изучения фенотипических SNP, которые показывают различия в частоте между Европой и Восточной Азией, согласуются с потоком генов через территорию степи.

Обсуждение

Наши результаты показывают, что группы железного века, которые, как считается, связаны между собой общими культурными артефактами, связанными с классическими скифами Северного Причерноморья, также имеют генетическую связь. Это подтверждается нашим анализом ABC, показывающим непрерывность численности населения в 1- ^м тысячелетии до н.э. у восточных скифов и низкий F _STценности между восточными и западными скифскими группами. Тем не менее, анализ ABC, в ходе которого оценивались различные модели происхождения скифских популяций, обеспечил наиболее сильную поддержку многорегионального происхождения, причем восточные и западные группы возникли независимо в своих регионах. Несмотря на раздельное происхождение и огромное географическое разделение, демографическое моделирование предполагает постоянный и значительный поток генов между восточными и западными группами, что обеспечивает правдоподобный демографический механизм, объясняющий низкие значения F _ST и общую однородность материальной культуры скифов по всей Евразии. Степная зона.

Наш геномный анализ показывает, что западные и восточные степные жители в разной степени имеют восточно-евразийское происхождение. В наших анализах ADMIXTURE мы находим компонент родословной в Восточной Азии при K = 15 во всех образцах железного века, который не был обнаружен в предшествующих популяциях бронзового века ни в западной, ни в восточной частях Евразийской степи. Другой наследственный компонент, который максимизируется в северной сибирской популяции нганасан, становится видимым со 2- ^готысячелетие до н.э. в восточной степи (Окунево, Карасук, Межовская). Этот компонент появляется позже во всех популяциях железного века, но со значительно более высокими уровнями в восточной степной зоне, чем на западе. Эти данные согласуются с появлением восточно-евразийских линий митохондрий у западных скифов во время железного века и предполагают поток генов или миграцию по евразийскому степному поясу, несущему восточноазиатское / северо-сибирское происхождение от востока до запада вплоть до Доно-Поволжье на юге России. В целом, поток генов между восточной и западной Евразией, по-видимому, был более интенсивным в течение железного века, чем в современную эпоху, что согласуется с представлением о населении железного века Евразийской степи как о очень подвижной полукочевой верховой езде. групп.

На Востоке мы находим сбалансированную смесь митохондриальных линий, встречающихся сегодня преимущественно в западноевразийских странах, включая значительную долю доисторических линий охотников-собирателей и линий, которые встречаются с высокой частотой в современной Центральной и Восточной Азии уже у самых ранних особей железного века датируется девятым-седьмым веками до н.э. и еще более ранним образцом мтДНК из бронзового века в Монголии 49. Типичные линии мтДНК Западной Евразии также присутствуют в Таримском бассейне 16 и Казахстане 8 и даже преобладали в Красноярском крае в течение 2- ^го тысячелетия до н.э. 31, Эта модель указывает на процесс смешивания между западным и восточным евразийским населением, который начался в более ранние периоды, безусловно, до 1- ^готысячелетия до н.э. 13^, 50, что согласуется с недавним исследованием, предполагающим, что носители ямной культуры генетически неотличимы от Афанасьево. культура народов Алтай-Саянского края. Это также означает, что носители ямной культуры мигрировали не только в Европу 26, но и на восток, неся западные евразийские гены - и, возможно, также индоевропейские языки - в этот регион 17, Все эти наблюдения свидетельствуют о том, что распространенный генетический паттерн не просто следует модели изоляции на расстоянии, но включает значительный поток генов на большие расстояния.

Все люди железного века, исследованные в этом исследовании, показывают геномные данные о происхождении охотников-собирателей Кавказа и стран Восточной Европы. Это согласуется с идеей, что смесь ЭХГ и кавказских элементов в носителях ямной культуры сформировалась в европейской степи и экспортировалась в Среднюю Азию и Сибирь 26. Все наши анализы подтверждают гипотезу о том, что генетический состав скифов может быть лучше всего описан как смесь родственных элементов Ямной и восточноазиатских / северносибирских элементов.

Что касается наследия кочевников железного века, мы находим, что современные человеческие популяции, имеющие тесную генетическую связь с скифскими группами, преимущественно расположены в непосредственной географической близости к отобранным местам захоронений, что указывает на определенную степень непрерывности популяции в исторические времена. Современные потомки западно-скифских групп встречаются среди различных групп на Кавказе и в Центральной Азии, в то время как сходства с восточными скифами обнаруживаются более широко, но почти исключительно среди тюркоязычных (бывших) кочевых групп, особенно из кипчакской ветви тюркской языки (дополнительное примечание 1). Генеалогическая связь между восточными скифами и носителями тюркского языка требует дальнейшего изучения, в частности, поскольку расширение тюркских языков считалось намного более новым, то есть, начиная с шестого века нашей эры, и происходило в процессе расширения элиты. Потенциально, есть много других демографических факторов, связанных с происхождением носителей тюркского языка, таких как волны миграции, связанные с сюнну, древнетюркским или ранним монгольским населением. Степень, в которой восточные скифы были вовлечены в раннее формирование тюркоязычных популяций, может быть выяснена будущими геномными исследованиями исторических периодов, следующих за скифскими временами.

Методы

Образец материала

Для этого исследования были отобраны образцы человеческих скелетов из разных частей России и Казахстана на основе связи археологического комплекса со скифскими погребальными обрядами и артефактами. Мы проанализировали 110 образцов скелета. Пять образцов не дали ДНК, восемь дали только плохие результаты, и для одной только кодирующей области можно было получить SNP. В итоге мы могли использовать 96 образцов для анализа мтДНК. Восемь человек были преобразованы в библиотеки Illumina; шесть из них были использованы для геномного захвата, два для секвенирования ружья и один для захвата и секвенирования ружья. Общая сохранность ДНК была на удивление хорошей, с небольшими вариациями в зависимости от региона или участка образца (дополнительные таблицы 1 и 2).

Базовые приготовления

Все этапы подготовки пробы перед ПЦР проводились в чистом помещении, физически отделенном от лабораторий после ПЦР. Подготовка образца, экстракция ДНК, амплификация отдельных фрагментов мтДНК и амплификация ядерных локусов были выполнены, как описано ранее 45. Для анализа мтДНК из литературы было отобрано 30 фрагментов кодирующих областей, охватывающих 32 специфичных для гаплогруппы SNP митохондриального генома 51^,52^, 53. Системы грунтовки (дополнительная таблица 3) были разработаны с использованием PrimerSelect, части программного пакета Lasergene (DNASTAR). Амплификация была выполнена в трех различных мультиплексных реакциях, чтобы избежать наложения фрагментов (дополнительная таблица 3). Мультиплексные ПЦР проводили в общем объеме 40 мкл, используя 20 мкл Qiagen Multiplex Kit Master Mix (Qiagen, Hilden, Германия), 11 мкл ddH ₂ O, 0,2 мкл каждого праймера и 4 мкл экстракта ДНК. Условия мультиплексной ПЦР были следующими: начальная денатурация в течение 15 мин при 95 ° С с последующим 36 циклами денатурации 40 с при 94 ° С, отжиг 40–90 с при 56 ° С, удлинение 40–90 с при 72 ° С и для В некоторых реакциях добавляли конечное удлинение в течение 10 минут при 72 ° С. Стандартная ПЦР была использована для фрагментов, которые не смогли амплификации в мультиплексных реакциях и для амплификации HVR1 некоторых дополнительных образцов.