Феномен индивидуальной изменчивости 18S рДНК у осетров Амура

Вестник ДВО РАН. 2007. № 4

Рожкован

Константин Васильевич

В лабораторию паразитологии БПИ ДВО РАН Константин Рожкован пришел в начале 2004 г., будучи студентом 5 курса Академия экологии, морской биологии и биотехнологии Дальневосточного государственного университета. Успешно выполнив дипломный проект, он в этом же году сдал вступительные экзамены и поступил в очную аспирантуру Биологопочвенного института ДВО РАН (руководитель д.б.н. Г.Н.Челомина). Во время обучения в аспирантуре освоил методы молекулярного клонирования и секве-нирования последовательностей ДНК. В июне 2007 г. представил к защите диссертацию «Молекулярная эволюция гена 18S рРНК и генетическое разнообразие осетров Амура» на звание кандидата биологических наук. Результаты проделанной работы апробированы на международных и региональных конференциях в Москве, Минске, Томске, Владивостоке. В настоящее время продолжает научно-исследовательскую работу в составе коллектива лаборатории, поддерживает тесные научные контакты с ТИНРО-Центром.

К.В .РОЖКОВАН

Феномен индивидуальной изменчивости 18S рДНК у осетров Амура

Результаты проведенных исследований позволили в значительной мере дополнить и расширить представления о характере молекулярной эволюции кодирующих последовательностей 18S рДНК, что необходимо для понимания механизмов согласованной эволюции дуплицированных генов и эволюционной судьбы псевдогенных последовательностей.

Phenomenon of intraindividual variability of 18S rDNA in sturgeons of Amur River. K.V.ROZHKOVAN (Institute of Biology and Soil Sciences, FEB RAS, Vladivostok).

Information about evolution of coding 18S rDNA sequences was essentially extended by the data submitted, which is necessary to understand mechanisms of concerted evolution of duplicated genes and evolutionary fate ofpseudogenic sequences.

Рибосомная ДНК (рДНК) - классический пример генной дупликации, который может быть использован в качестве модели для тестирования теории согласованной

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Президиума ДВО РАН (проект «Амур-7» в составе гранта «Амурская экспедиция»).

эволюции [2]. Эволюционная динамика тандемно повторяющихся последовательностей мультигенного семейства рДНК вызывает неизменный интерес многих исследователей с момента своего открытия; генные дупликации принято рассматривать как основной эволюционный путь приобретения новых функций [1]. Кодирующие регионы рДНК широко используются в качестве молекулярных маркеров для филогенетических исследований эукариот, поскольку большинство их мутаций в результате согласованной эволюции (через механизмы рекомбинации) быстро фиксируется внутри популяции или вида в процессе дифференциации [2]. Интенсивное исследование этих маркеров обнаружило, что у небольшого числа организмов регистрируется несколько (2-3) вариантов ядерного гена 18S рРНК [3, 7]. Поэтому открытие множественных аллелей этого гена у североамериканских осетровых рыб (род Acipenser) [4, 5] оказалось весьма неожиданным. В настоящее время не существует четкого объяснения данного феномена, а также его отсутствия у ближайших филогенетических родственников осетров, таких как веслоносы (род Polyodon); бесспорным остается лишь тот факт, что механизмы согласованной эволюции в геномах осетровых рыб не смогли реализоваться в полной мере.

К началу наших исследований оставалось неясным, имеют ли другие виды осетров, кроме североамериканских, такие же особенности эволюции рДНК, или данный феномен им не присущ, подобно видам Polyodon. Цель нашей работы состояла в исследовании разнообразия рДНК у двух видов осетровых рыб Амура, амурского осетра Acipenser schrenckii Brandt, 1869 и калуги Huso dauricus (Georgi, 1775), а также межвидовых гибридов амурского осетра с сибирским осетром и калугой.

Участки последовательностей 18S рДНК размером 486 последовательностей нуклеотидов (пн) (позиции 960-1444 пн полноразмерного гена) осетров амплифицировали с помощью универсальных праймеров; PCR-продукты клонировали и секвенировали на автоматическом лазерном секвенаторе ABI PRISM 310 (на базе БПИ ДВО РАН). Результаты исследований объединяли с имеющимися данными из GenBank и обрабатывали с помощью пакетов статистических программ (DnaSP, Arlequin).

Полученные данные продемонстрировали высокое разнообразие последовательностей 18S рДНК осетров Амура (табл. 1), сопоставимое с таковым североамериканского озерного осетра A. fulvescens, причем основную часть (более 70%) составляла внутривидовая компонента. Следовательно, у дальневосточных видов осетровых рыб также отсутствуют эффективные механизмы согласованной эволюции кодирующих последовательностей 18S рДНК. Примечательно, что характер распределения нуклеотидного разнообразия вдоль исследованного фрагмента рДНК, включая консервативную область между 100 и 200 нуклеотидными позициями), у осетров Амура такой же, как у североамериканского озерного осетра (рис. 1а).

Существует предположение, что реализация механизмов согласованной эволюции осложняется межвидовой гибридизацией [6]. Поэтому далее был проведен анализ изменчивости 18S рДНК двух межвидовых гибридов осетровых рыб: A. schrenckii x A. baerii

Таблица 1

Средние значения полиморфизма последовательностей 18S рДНК осетровых рыб

Группа сравнения n 1 S 1 h | Hd 1 pi 1 k

Виды 78 44 34 0,871 0,01123 5,335

Гибриды 40 50 29 0,955 0,01530 7,373

Гены (видов) 31 9 6 0,301 0,00120 0,581

Псевдогены (видов) 47 38 28 0,944 0,01117 5,306

Примечание. п - число клонов, 8 - число полиморфных (сегрегирующих) сайтов, Ь - число гаплотипов (аллельных вариантов), Ш - гаплотипическое разнообразие, Р1 - нуклеотидное разнообразие, к - среднее число нуклеотидных различий.

и A. schrenckii x H. dauricus. Результаты показали, что гибриды по сравнению с исходными видами действительно являются более полиморфными, хотя характер распределения нуклеотидного разнообразия (включая консервативный участок) вдоль исследуемого фрагмента рДНК у них в основном сохраняется (рис. 1б). Несмотря на повышенную изменчивость, фиксированных отличий у гибридов по сравнению с родительскими видами обнаружено не было. Вместе с тем значительная часть изменчивости гибридов была обнаружена в сайтах, инвариантных у их родителей. Более того, несколько мутаций оказались общими с представителями других таксонов - так называемый эффект появления у гибридов признаков предковых форм. Дифференциация гибридов с родительскими видами, а также между собой оказалась ниже межвидовой: они разделяли между собой более 90% общего генетического разнообразия. Следовательно, механизмы согласованной эволюции действительно становятся менее эффективными при высоких потоках генов, обусловленных межвидовой гибридизацией.

Альтернативным источником

внутригеномного полиморфиз-

ма рДНК может быть присутствие псевдогенных последовательностей, которые утрачивают свои функции и как следствие имеют пониженные селективные ограничения и повышенную аккумуляцию мутаций [8]. В этой связи был проведен филогенетический анализ клонированных 486 пн последовательностей 18S рДНК для шести видов осетровых рыб, включая собственные данные по A. schrenckii и H. dauricus, а также имеющиеся данные из GenBank по другим представителям Acipenseriformes. Филогенетические реконструкции распределили все последовательности рДНК в два кластера (рис. 2), которые были условно названы «гены» и «псевдогены», так как включали соответственно функциональные и нефункциональные последовательности гена 18S рРНК A. fulvescens. По разным критериям полиморфизм рДНК псевдогенов оказался в 3-10 раз выше, чем у генов (табл. 1). Распределение нуклеотидного разнообразия у генов и псевдогенов разительно различается (рис. 1 в), причем изменчивость первых минимальна на всем отрезке анализируемого фрагмента. Дифференциация кластеров заметно выше, чем видов: гены

0,005 -

Рис. 1. Распределение нуклеотидного разнообразия: а) у разных видов

Рис. 2. MST-реконструкция филогенетических связей последовательностей 18S рДНК шести видов осетровых рыб: Af - Acipenser fulvescens, As - A. schrenckii, A.brev - A. brevirostrum, A.ruth - A. ruthenus, A. sturio, Hd - Huso dauricus

и псевдогены имеют лишь около 50% общего генетического разнообразия. Результаты анализа ряда тестов (табл. 2) показывают, что последовательности сравниваемых кластеров подвергаются разному селективному давлению соответственно их предполагаемой функциональной значимости.

Таблица 2

Характер нуклеотидных замен и тесты на нейтральность для генов и псевдогенов

Группа сравнения ZnS C^T+G^A: L

Другие замены

Гены 0,182 1 : 1 0,0034

Псевдогены 0,0B2 1 : 2,5 0,0126

Примечание. ZnS - тест на нейтральность, L - относительная скорость эволюции.

Чтобы проверить потенциальный вклад изменчивости последовательностей в структуру и функцию, мы оценили распределение нуклеотидных замен в разных последовательностях между консервативными и вариабельными участками; в этих целях использовали генерализованную модель вторичной структуры эукариотической молекулы 18S рРНК. Результаты показали, что основная часть изменчивости псевдогенов (делеции, инсерции, транзиции, трансверсии) концентрируется в вариабельных участках (область V5 и V7 канонической структуры); у генов мутации в консервативных областях отсутствуют. Тем не менее среди последовательностей псевдогенов не обнаружено мутаций, которые бы однозначно свидетельствовали об их функциональной непригодности.

Таким образом, проведенные исследования показали, что в геномах осетровых рыб Амура содержится множество копий кодирующих последовательностей 18S рДНК, образующихся, вероятно, из-за неэффективности механизмов согласованной эволюции. Это разнообразие повышает межвидовая гибридизация, которая у осетровых рыб в естественных условиях происходит достаточно легко. Разные аллельные варианты 18S ДНК эволюционируют с различными ограничениями, что предполагает наличие среди них как генов, так и псевдогенов. Полученные результаты необходимы для понимания механизмов согласованной эволюции дуплицированных генов и судьбы псевдогенных последовательностей. В совокупности с имеющимися в литературе данными они позволяют предполагать, что основное назначение псевдогенных последовательностей - улучшение свойств функциональной последовательности гена, что является очень важным для адаптации вида в постоянно изменяющейся среде обитания. Все это свидетельствует о перспективности и высокой теоретической и практической значимости проводимых исследований.

ЛИТЕРАТУРА

1. Dame J.B., Sullivan M., McCutchan T.F. Two major sequence classes of ribosomal RNA genes in Plasmodium berghei // Nuc. Acid. Res. 1984. Vol. 12. P. 5943-5952.

2. Hillis D.M., Davis S.K. Ribosomal DNA: intraspecific polymorphism, conserted evolution, and phylogeny reconstruction // Syst. Zool. 1988. Vol. 37. P 63-66.

3. Keller I., Chintauan-Marquier I.C., Veltsos P, Nichols R.A. Ribosomal DNA in the Grasshopper Podisma pedes-tris: Escape from concerted evolution // Genetics. 2006. Vol. 174. P. 863-874.

4. Krieger J., Fuerst PA. Diversity of nuclear 18S rRNA gene sequences within individuals in lake sturgeon (Acipenser fulvescens) // J. Appl. Ichthyol. 2004. Vol. 20. P. 433-439.

5. Krieger J., Fuerst P.A. Evidence of multiple alleles of the nuclear 18S ribosomal RNA gene in sturgeon (Family: Acipenseridae) // J. Appl. Ichthyol. 2002. Vol. 18. P. 290-297.

6. Marquez L.M., Miller D.J., MacKenzie J.B., Van Oppen M.J.H. Pseudogenes contribute to the extreme diversity of nuclear ribosomal DNA in the hard coral Acropora // Mol. Biol. Evol. 2003. Vol. 20. P. 1077-1086.

7. Muir G., Fleming C.C., Schlotterer C. Three divergent rDNA clusters predate the species divergence in Quercus petraea (Matt.) Liebl. and Quercus robur L. // Mol. Biol. Evol. 2001. Vol. 18. P 112-119.

8. Rodin S.N., Riggs A.D. Epigenetic silencing may aid evolution by gene duplication // Mol. Evol. 2003. Vol. 56. P. 718-729.