Статистический анализ геномов биоиндикаторных организмов

А. Р. Каюмов, Е. О. Михайлова, М. И. Богачев СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГЕНОМОВ БИОИНДИКАТОРНЫХ ОРГАНИЗМОВ

Ключевые слова: статистический анализ, геномы, биоиндикаторы.

Многие химические вещества и лекарственные средства проходят обязательный контроль на токсичность, мутагенность и канцерогенность. Эти анализы проводят как на культурах клеток, так и на тестерных организмах, от бактерий и дрожжей до рыб и млекопитающих. Основным вопросом в использовании биоиникаторных организмов является достоверность оценки безопасности вещества, полученной в лабораторных условиях. Данная работа посвящена статистическому анализу нуклеотидных последовательностей эукариотических геномов для оценки правомочности тестирования токсичных и канцерогенных свойств веществ на модельных организмах. Полученные результаты выявили неравномерное изменение размеров структурных фрагментов ДНК эукариот с эволюцией. Этот факт позволил сделать предположение, что результаты тестов, проведенных на клетках дрожжей и простейших, требуют проверки на организмах более высокого эволюционного развития.

Keywords: statistical analysis, genomes, bioindicators.

Many chemical compounds are compulsorily tested for toxicity, mutagenicity and cancerogenicity. These tests are carried out on cell cultures and special test organism, from bacteria and yeasts to fishes and mammals. The main question concerning bioindicators is the relevance of laboratory estimation of compound safety. Here we investigated the statistical properties of eukaryotic genomes to estimate the relevance of testing of substances toxicity and cancerogenicity using model organisms. Our results have revealed uneven changes of DNA structural fragments sizes in eukaryotes with the evolution. This fact allowed us to propose that the tests results obtained on the yeast cells and protozoa require checking on higher organisms.

Введение

В связи с бурным развитием химической промышленности ежегодно образуются тысячи новых химических соединений - красителей, лекарственных средств, консервантов, строительных материалов. Каждое новое вещество, с которым предполагается контакт человека, должно проходить тесты на токсичность и мутагенность - способность повреждать ДНК клеток и в дальнейшем вызывать образование опухолей. В настоящее время для этих целей используют бактерий рода Salmonella, культуры клеток растений и животных (например, клетки HELA), различных членистоногих (плодовая мушка Drosophila melanogaster, рачки Daphnia) и животных (лабораторные мыши Mus musculus и крысы Rattus norvegicus).

Основной вопрос в использовании различных биоиндикаторных организмов - насколько точно соотносятся полученные результаты с безопасностью для человека? Или другими словами, какова достоверность оценки безопасности вещества, полученной в лабораторных условиях. Данная работа посвящена статистическому анализу нуклеотидных

последовательностей эукариотических геномов для

оценки правомочности тестирования токсичных и

канцерогенных свойств веществ на модельных организмах.

Результаты и обсуждение

С использованием открытой базы данных

ГенБанка (ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes) была сформирована база данных геномов организмов, применяемых в биоиндикации и расположенных в порядке усложнения по эволюционной лестнице (табл. 1). В таблице указан размер генома, средние размеры гена, межгенных участков, а также интрона и экзона. Эти фрагменты мы обозначили как «структурные фрагменты ДНК».

Таблица 1 - Размеры генома, средних размеров гена, экзонов, интронов и межгенных последовательностей

различных организмов

Организм Геном, Млн. п. о. Средние значения тыс. п. о.

Ген Меж генн. Экзон Интрон

Saccharomyces cerevisiae 12 1,5 2,62 0,16 0,21

Arabidopsis thaliana 115 1,9 6,91 0,16 0,16

Caenorhabditis elegans 100 2,8 7,26 0,22 0,31

Drosophila melanogaster 130 4,4 14,1 0,37 0,94

Danio rerio 1412 23,4 62,6 0,15 2,79

Mus musculus 3400 36,7 188 0,15 4,52

Rattus norvegicus 3360 34,3 198 0,15 4,45

Macaca mulatta 3140 42,8 189 0,15 5,43

Pan troglodytes 3700 46,2 203 0,16 5,72

Pongo abelii 3600 36,8 120 0,16 4,93

Homo sapiens 3500 48,3 218 0,15 5,50

Как видно из таблицы, с усложнением организма, значительно возрастает размер его генома, который у низших эукариот (дрожжей 8ассИаготусв&' свгвуг^чав) и человека

отличается в 100 раз. При этом увеличение

размера генома происходит за счет

значительного повышения доли

некодирующей ДНК: длина межгенных

участков и интронов также возрастает в 100 раз, тогда как длина гена увеличивается в 30

раз, а средний размер экзона вообще остается без изменений (1). Различные исследования в этой области показывают, что многие перестройки ДНК происходят именно в некодирующей ДНК - интронах и межгенных участках, тогда как по сравнению с ними кодирующие последовательности изменяются слабо (2-4). Чтобы оценить степень пропорциональности увеличения структурных фрагментов ДНК с эволюцией, мы проанализировали зависимость среднего размера гена, межгенных последовательностей, а также интронов и экзонов в гене от размера генома (рис. 1). Проведенный анализ показал, что средний размер гена, межгенных участков и интронов (I ) находится в степенной

зависимости от размера генома (5): I ~ 8к. Для интронов значение к составляет порядка 0.65, что немного отличается от значения 0.51±0.1, полученного ранее Линчем и Коннери [5]. Неожиданным оказалось, что средний размер гена и межгенных участков (I ) для животных находится почти в одинаковой степенной зависимости от размера генома, где к приблизительно равно 0.80 для генов и 0.78 для межгенных участков. Следовательно, изменения генетического материала в ходе эволюции происходили с равной скоростью и в генах, и межгенных участках. Таким образом, можно предположить, что вероятность образования мутации в гене одинакова для низших и более высокоорганизованных животных. Однако

пропорцианальный рост размера гена и межгенных участков не сохраняется при переходе от дрожжей к царству животных.

Рис. 1 - Зависимость средней длины гена и межгенных последовательностей от размера генома

Также мы исследовали зависимость медиан длин структурных фрагментов ДНК от размера генома (табл. 2). Анализ показал, что увеличение при эволюции значений медиан генов и межгенных последовательностей также имеет степенную зависимость от размера генома, хотя значения к значительно меньше (к=0.7 и к=0.65 соответственно) (рис. 2). В то же время типичная длина (медиана) интронов изменяется в ходе эволюции не монотонно, а ступенчато, и увеличивается в 8-10 раз у позвоночных животных.

Полученные результаты являются косвенным признаком существенной несимметричности

распределений длин некодирующих фрагментов ДНК. Следует отметить, что подобные несимметричности наблюдаются также в распределениях интервалов между аминокислотными остатками в белковых токсинах

микроорганизмов, и могут быть использованы для диагностики их патогенности [6].

Таблица 2 - Медианы размера генома, средние размеры гена и межгенных последовательностей различных

организмов

Организм геном, Млн. п. о. Средние значения тыс.п.о.

Ген Меж генн. Экзон Интрон

Saccharomyces cerevisiae 12 1,3 1,6 0,14 0,06

Arabidopsis thaliana 115 1,4 1,9 0,12 0,09

Caenorhabditis elegans 100 1,8 3,5 0,15 0,07

Drosophila melanogaster 130 1,2 2,0 0,21 0,07

Danio rerio 1412 11,8 19,2 0,12 0,60

Mus musculus 3400 7,6 21,5 0,12 0,61

Rattus norvegicus 3360 8,5 25,1 0,12 0,68

Macaca mulatta 3140 5,9 22,9 0,12 0,63

Pan troglodytes 3700 5,4 19,1 0,12 0,55

Pongo abelii 3600 6,1 11,9 0,12 0,68

Homo sapiens 3500 6,1 18,2 0,12 0,46

Размер генома, млн. п.о.

Рис. 2 - Зависимость медиан гена и

межгенных последовательностей от размера генома

В нашем случае несимметричность, вероятно, можно объяснить накоплением мобильных генетических элементов в геномах высших эукариот ввиду низкого эволюционного давления в их популяциях [7, 8]. С другой стороны, функции некодирующей ДНК остаются до конца неизвестными, и ее значительную часть могут занимать регуляторные участки [9, 10].

Таким образом, проведенный анализ выявил неравномерное изменение размеров структурных фрагментов ДНК эукариот с эволюцией. Геном одноклеточных эукариот характеризуется высокой плотностью кодирующей ДНК с одной стороны, а также намного более простой системой регуляции. Обратно, в геноме высших организмов

превалируют регуляторные участки, тогда как доля кодирующей ДНК - экзонов - составляет несколько процентов всего генома [11]. Следовательно, при равной вероятности повреждения ДНК при попадании химического агента или физического воздействия, у низших организмов больше страдает кодирующая ДНК, что, вероятнее всего, выразится в токсичности вещества для организма. Для высших организмов ситуация обратная и повышается вероятность повреждения регуляторных областей генов, что с большей степенью вероятности приведет к проявлению канцерогенного эффекта вещества.

С учетом вышесказанного можно предположить, что результаты, полученные для представителей дрожжей и простейших как тестерных организмов, не могут быть напрямую экстраполированы на человека, и требуют проверки на организмах более высокого уровня эволюционного развития.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России", номер государственного соглашения 14.B37.21.0180.

Литература

1. Ahnert, S.E., Thomas, M.A., and Zinovyev, A. (2008) How much noncoding DNA do eukaryotes require? J. Theor. Biol., 252, 587592.

2. Gregory, T.R. (2004) Insertion/deletion biases and the evolution of genome sizes. Gene, 324, 15-34.

3. Haddrill, P.R., Bachtrog, D., and Andolfatto, P. (2008) Positive and Negative Selection on Noncoding DNA in Drosophila simulans. Mol.Biol. Evol., 25, 1825-1834.

4. Ludwig, M.Z. (2002) Functional evolution of noncoding DNA. Curr. Op.Genet. Devel., 12, 634639.

5. Lynch, M., aned Conery, J.S. (2003) The origins of genome complexity. Science, 302, 1401-1404

6. Каюмов А.Р., Богачев М.И., Михайлова Е.О. Сравнительный анализ структуры белковых токсинов водных патогенных микроорганизмов. Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 7. С. 175-180.

7. Lynch, M. (2006) The Origins of Eukaryotic Gene Structure. Mol. Biol.Evol., 23, 450-468.

8. Castillo-Davis, C.I. (2005) The evolution of noncoding DNA: how much junk, how much func? Trends in Genetics, 21, 533-536.

9. Duret, L. (2001) Why do genes have introns? Recombination might add a new piece to the puzzle. Trends in Genetics, 17, 172-175.

10. Fontanillas, P., Hartl, D.L., and Reuter, M. (2007) Genome Organization and Gene Expression Shape the Transposable Element Distribution in the Drosophila melanogaster Euchromatin. PLoS Genetics, 3(11), e210.

11. Naora, H., and Deacon, N.J. (1982) Relationship between the total size of exons and introns in protein-coding genes of higher eukaryotes. Proc.Nat. Acad. Sci. U.S.A., 79, 6196-6200.

© А. Р. Каюмов - канд. техн. наук, асс. каф. генетики К(П)ФУ, kairatr@yandex.ru; Е. О. Михайлова - канд. биол. наук, асс. каф. химической кибернетики КНИТУ, katya_o_m@rambler.ru; М И. Богачев - канд. техн. наук, доц. каф. радиосистем С-Петербургского госуд. электротехнического ун-та, rogex@yandex.ru.