КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-71-10056

НазваниеМоделирование и анализ генетического перемешивания популяций

РуководительЩур Владимир Львович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-205 - Математические модели в науках о живом

Ключевые словаПопуляционная генетика, геномика, перемешивание популяций, древняя интрогрессия, популяционные модели, скрытая марковская модель, неандертальцы, ДНК, геном, доли примешивания, коалесцентная теория, эволюция

Код ГРНТИ27.35.43

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Научная проблема проекта состоит в математическом моделировании влияния процессов перемешивания в разных масштабах времени на генетическое разнообразие популяции, а также в разработке методов и анализе экспериментальных генетических данных для изучения этих процессов. Актуальность исследований обусловлена их важностью для изучения генетической истории человеческой популяции, эволюции и естественного отбора. Так, например, изучение путей примешивания неандертальской ДНК в геномы современных мексиканцев через европейскую и коренную американскую историю позволит не только детально изучить историю взаимодействия наших предков с неандретальцами, но и может помочь определить участки геномов, прошедшие через естественный отбор после перемешивания в постколумбовую эпоху. Также наше исследование позволит изучить генетическое разнообразие неандертальской популяции во время примешивания к популяции анатомически современного человека. Научная новизна проекта состоит в исследовании процессов генетического перемешивания популяций, разработке математической теории, методов, алгоритмов и программного обеспечения для анализа экспериментальных данных, а также непосредственно в анализе генетических данных разработанными методами. Теоретическая часть будет заключаться в разработке математической модели для долей примешивания, а также в изучении теоретических свойств для распределения доли древней примешанной компоненты вдоль генома в современной популяции. Методологическая часть будет заключаться в разработке архитектуры скрытой марковской модели, позволяющей одновременно моделировать древнее и недавнее перемешивание популяций, и как следствие определять участки древней ДНК и пути их примешивания в популяции, появившейся вследствие недавнего перемешивания. Также будет разработан метод оценки распределения древней компоненты вдоль генома по популяции и генетического разнообразия примешанной древней популяции. Далее, будет разработан метод оценки популяционных параметров при помощи метода моментов для долей примешивания. Значимость прикладных результатов будет заключаться в исследовании неандертальской компоненты в современной популяции при помощи разработанных в рамках проекта методов.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта ожидается получить следующие научные результаты. 1. Метод для определения участков ДНК древних популяций в современных популяциях одновременно с определением путей примешивания для сценариев с древним и недавним перемешиванием популяций. Определение Неандертальской компоненты в современных человеческих популяциях, возникших в результате недавнего перемешивания (например, в постколумбовую эпоху в Америке). 2. Метод и результаты изучения генетического разнообразия Неандертальской ДНК в современных популяциях, а также в момент древнего примешивания. 3. Математическая теория и метод для оценки популяционных параметров из моментов долей примешивания. Результаты изучения человеческих перемешанных популяций при помощи этого метода. Научная значимость состоит в развитии математической теории, методов и алгоритмов анализа данных, разработке соответствующего программного обеспечения и его применения к извлечению нового знания из экспериментальных данных. Соответствие предполагаемых результатов мировому уровню исследований обосновывается новизной поставленных задач и новизной методов. Проект основан на большом научном заделе, результаты которого опубликованы в ведущих международных журналах, в том числе в соавторстве с ведущими мировыми учеными в области исследований. Эти результаты имеют важное значение как в контексте популяционной и эволюционной генетики, так и в социально-культурном аспекте, для истории и археологии.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
За первый год работ было исследовано три задачи. Первая задача заключается в разработке метода определения путей примешивания древних участков генома. Нас интересуют участки генома современных людей, происходящие от неандертальцев, которые можно обнаружить у всех людей неафриканского происхождения. Далее, мы рассматриваем мексиканскую популяцию, получившуюся за счет недавнего перемешивания европейцев, коренных американцев и африканцев. Таким образом, неандертальские участки могут попасть в геном мексиканца либо от предка-европейца, либо от предка-американца. Мы разработали метод, основанный на скрытой марковской модели и позволяющий с высокой точностью определять такие участки вместе с путем их примешивания. В будущем это позволит изучить действие естественного отбора на неандертальскую компоненту после последнего перемешивания. Вторая задача заключается в изучении генетических различий неандертальской компоненты у европейцев и азиатов. Мы разработали несколько архитектур скрытой марковской модели для определения древних участков. Мы применили этот метод к реальным человеческим геномам и продемонстрировали разницу в распределении древних участков у европейцев и азиатов. В рамках третьей задачи была построена математическая модель для долей генетического примешивания: выведены уравнения для их статистических моментов. На основе этих уравнений были разработаны метод и соответствующее программное обеспечение для вычисления времени начала и окончания продолжительной миграции (то есть миграции, продолжающейся на протяжении нескольких поколений подряд). Разработанный программный код в рамках всех трех задачам доступен на GitHub по адресу https://github.com/Genomics-HSE.

 

Публикации

1. - Теория всего: биогеномика Радио "Звезда", - (год публикации - )