Chƣơng 1 TỔNG QUAN
1.3. ĐẶC ĐIỂM ĐA HÌNH CỦA NHIỄM SẮC THỂ Y
1.3.3. Đa hình nhiễm sắc thể Y và ứng dụng trong nghiên cứu lịch sử di truyền
truyền tiến hóa lồi ngƣời
Dựa trên sự tổ chức và khả năng biến đổi của các lớp nhiễm sắc, một mơ hình tiến hóa nhiều tầng đã đƣợc đƣa ra cho nhiễm sắc thể Y [68], theo đó cặp nhiễm sắc thể giới tính đồng phát triển từ một cặp nhiễm sắc thể bình thƣờng cách đây khoảng 300 triệu năm về trƣớc khi các lồi động vật có vú tách ra từ chim và bị sát, trong đó, các lớp thối hóa X và ampliconic đại diện cho “lớp tiến hóa” sớm nhất. Sự suy thối nhanh chóng của nhiễm sắc thể Y trong những lần phân chia đầu tiên và sự thu nhận các đặc điểm “đặc tính nam” bởi đa số các gen của nhiễm sắc thể Y đã khiến một số nhà nghiên cứu kết luận rằng nó đang trải qua một sự làm mới đối với sự sinh sản của nam giới [28], thậm chí cịn đi xa đến mức đƣa ra giả thiết rằng cuối cùng có thể xảy ra sự biến mất nhiễm sắc thể này ở loài ngƣời [7].
Việc tìm kiếm các vị trí đa hình trên NRY sử dụng cho các nghiên cứu di truyền nhân chủng học bắt đầu tƣơng đối chậm, với những nghiên cứu đầu tiên sử dụng kỹ thuật RFLP vào năm 1985 [16;50]. Đến hết năm 1996 chỉ có dƣới 60 đa hình NRY đƣợc cơng bố, trong đó chỉ có 11 đa hình có thể xác định kiểu gen bằng kỹ thuật PCR. Lý do chính cho sự phát triển chậm chạp này là mức độ liên quan thấp của các đa hình trong NRY với các vùng khác trong hệ gen ngƣời. Ƣớc tính dựa trên trình tự nghiên cứu cho thấy trung bình có một thay thể nucleotide trên 10000 bp giữa hai trình tự NRY ngẫu nhiên. Sự so sánh này với tỷ lệ toàn bộ hệ gen là có 1 SNP cho mỗi 1000 đến 2000 bp [79]. Những sự khác biệt về mức độ đa dạng có khả năng xuất phát từ ảnh hƣởng do kích thƣớc giữa nhiễm sắc thể thƣờng và các nhiễm sắc thể giới tính (nhiễm sắc thể Y chỉ bằng 1/4 kích thƣớc của các nhiễm sắc thể thƣờng, và bằng 1/3 của nhiễm sắc thể X).
Trong những năm cuối thập niên 90 của thế kỷ trƣớc, đã có 1 sự gia tăng nhanh trong về số lƣợng của các chỉ thị đƣợc khám phá và các phân tích quần thể liên quan đến nhiễm sắc thể Y. Điều này chủ yếu là do sự xuất hiện của một phƣơng pháp mới phát hiện đột biến, đó là phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao có biến tính (DHPLC - denaturing high performance liquid chromatography), trong đó các cặp biến dị đƣợc phát hiện bởi thời gian lƣu thay đổi trên cột sắc ký dƣới các điều kiện gần biến tính. DHPLC đã đƣợc sử dụng để phát hiện hơn 200 các SNP mới dựa trên phản ứng PCR và các đoạn chèn/ mất trong NRY [31]. Những dạng đa hình này có tỷ lệ các đột biến tƣơng đồng và hồi tính thấp làm cho chúng đặc biệt phù hợp với việc xác định các dịng di truyền theo phụ hệ hoặc các nhóm đơn bội đã bắt nguồn từ hàng nghìn năm. Dựa trên một danh mục hệ thống tƣơng tự nhƣ của DNA ty thể, các nhóm đơn bội trên nhiễm sắc thể Y đƣợc đặt tên bằng các chữ cái La Mã (Y và A-R), với các nhánh nhỏ hơn việc đặt tên sử dụng một hệ thống xen kẽ chữ số và chữ thƣờng.
Phân loại nhóm đơn bội Y gồm nhiều nhóm đơn bội từ A đến R. Vị trí của gốc trong cây NRY rơi vào giữa A, đƣợc xác định bởi SNP marker M91, và các nhóm đơn bội từ B đến R bao gồm phần còn lại của cây. Rất nhiều mốc thời gian đã đƣợc đƣa ra để ƣớc tính cho tổ tiên chung nhất của nhiễm sắc thể Y ngƣời với rải từ 40000 đến 14000 năm trƣớc [73]. Sự phân bố tồn cầu của các nhóm đơn bội theo nhiễm sắc thể Y chính đƣợc trình bày trong hình 1.6. Tƣơng tự nhƣ cấu trúc cây phân loại địa lý của DNA ty thể, các nhóm đơn bội nhiễm sắc thể Y cũng rất đa dạng, A và B, đƣợc giới hạn ở các quần thể ngƣời Châu Phi, và các dòng còn lại đƣợc phân bố cả trong và ngồi lục địa Châu Phi. Những vùng khơng thuộc Châu Phi trong mơ hình này gồm một tập hợp đa dạng các nhóm đơn bội hỗ trợ cho học thuyết di cƣ ra khỏi Châu Phi của cả NRY và DNA ty thể [77].
Hình 1.6. Bản đồ mơ tả tần số phân bố của các nhóm đơn bội theo nhiễm sắc thể Y của ngƣời trên thế giới [89]. Màu sắc trong các biểu đồ hình trịn đại diện cho các nhóm
đơn bội tƣơng ứng. Thành phần các màu thể hiện tần số phân bố của từng nhóm đơn bội trong các khu vực khá nhau
Chỉ thị SNP M168 đƣợc sử dụng chung bởi nó xuất hiện ở tất cả các nhiễm sắc thể Y không thuộc Châu Phi và nó đại diện cho một chỉ thị di truyền cho ngƣời hiện đại gần đây di cƣ ra bên ngoài Châu Phi. SNP này đƣợc ƣớc tính đã xuất hiện cách đây khoảng 68500 năm (95% xác suất trong khoảng từ 56400 đến 80600 năm) bởi Hammer và Zegura [66]. Nhìn chung, những mốc di truyền này nằm trong khoảng giữa thời kỳ đồ đá cũ, các bằng khảo cổ học đã phát thấy một sự phân bố địa lý rộng của các công cụ đồ đá thƣờng gắn liền với ngƣời hiện đại thời kỳ này.
Các dòng M168 tiến hóa thành 3 phân nhóm riêng gồm có các: nhóm đơn bội C, D, E có sự chèn Alu vào YAP, đại phân nhóm F (macrohaplogroup F) bao
gồm các dịng từ F đến R. Nhóm đơn bội C hiện tại đƣợc tìm thấy trên khắp Châu Á và Châu Đại Dƣơng trong khi nhóm đơn bội D giới hạn trong các quần thể ngƣời ở Châu Á, chủ yếu là ở ngƣời Nhật Bản và ngƣời Tây Tạng, cũng nhƣ ngƣời ở Đông Nam Á với tần số thấp, tuy nhiên có khả năng đây chính là nhánh sớm nhất ở phía nam di cƣ ra khỏi Châu Phi cùng với nhóm đơn bội C [76;77].
Phân nhóm lớn thứ 3 của các dòng M168 đƣợc cho là đã xuất hiện đầu tiên ở Đông Phi, từ nơi đó, nó phát tán đến Châu Âu thông qua hành lang Levantine khoảng 45000 năm trƣớc và đã dẫn đến việc mở rộng phạm vi địa lý lớn trong thời kỳ đồ đá cũ vào khoảng 30000 đến 40000 năm trƣớc. Sự phân chia đầu tiên của đại phân nhóm này sản sinh ra ít nhất 4 dịng nhiễm sắc thể Y chính:(1) việc mở rộng về phía đơng của nhóm đơn bội H vào Pakistan và tiểu lục địa Ấn Độ [61], (2) sự di cƣ của macronhóm đơn bội K (đƣợc xác định bởi SNP M9 khoảng 35 600 năm trƣớc) đến Trung Á và sau đó phân tán khắp lục địa Á Âu và Châu Mỹ, (3) sự nổi lên của một dòng Bắc Á (đặc trƣng bởi các chỉ thị M45 và M74) đại diện cho các nhánh tổ tiên của các nhóm đơn bội P, Q, R, và (4) cuối cùng là sự tiến hóa của một dịng đặc trƣng tới khu vực Đơng Á là nhóm đơn bội O [21].
Từ sự phân bố ban đầu này của các nhánh tổ tiên, một số sự kiện mở rộng và di cƣ của các quần thể đã hình thành lên mơ hình biến đổi nhiễm sắc thể Y nhƣ ngày nay. Ngƣời ta cho rằng nhóm đơn bội N3 đã đƣợc mang từ phía đơng Siberia hoặc Trung Quốc vào miền bắc Châu Âu bằng các cuộc di cƣ lớn của các tộc ngƣời
nói tiếng Uralic [57]. Nhóm đơn bội M phân tán vào khu vực Đơng Nam Á và cuối cùng đến Papua New Guinea nơi ngày nay nhóm đơn bội này chiếm ƣu thế [44]. Từ bắc Châu Á các dịng M45/M74, nhóm đơn bội R mở rộng về phía Nam vào Trung Á và bắc Ấn Độ, Pakistan, và về phía tây vào Châu Âu, nơi ngày nay có tần số rất cao của các dƣới nhóm R1a và R1b. Các dòng khác từ cụm (cluster) M45/M74, nhóm đơn bội P và Q, cũng phân tán rộng rãi dọc theo các thảo nguyên phía Bắc châu Á vào Trung Á và phía bắc Ấn Độ- Pakistan, cùng với nhóm đơn bội Q3 sau đó lan rộng từ phía nam Siberia hoặc khu vực sông Amur đến châu Mỹ. Ở Châu Phi, nhóm đơn bội E3b và J có tần số cao trong khu vực Địa Trung Hải và Trung Đông và đƣợc cho rằng đã phân tán vào Châu Âu nhƣ là một hệ quả của sự mở rộng các quần thể ngƣời trong thời kỳ đồ đá mới. Và cuối cùng, nhóm đơn bội I phổ biến ở Châu Âu và Trung Đơng, với tần số cao của các dƣới nhóm I1a và I1b ở khu vực Scandinavi và các nƣớc vùng Balkan [53].