научная статья по теме НУКЛЕОТИДНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ β-ЭСТЕРАЗНЫХ ГЕНОВ В ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ DROSOPHILA MELANOGASTER Биология

Текст научной статьи на тему «НУКЛЕОТИДНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ β-ЭСТЕРАЗНЫХ ГЕНОВ В ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ DROSOPHILA MELANOGASTER»

УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2004, том 124, № 4, с. 378-389

УДК 547.96

НУКЛЕОТИДНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ Р-ЭСТЕРАЗНЫХ ГЕНОВ В ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ DROSOPHILA MELANOGASTER

© 2004 г. Е. С. Балакирев1' 2, Ф. Дж. Айала2

1 Академия экологии, морской биологии и биотехнологии, Дальневосточный государственный университет, Владивосток Институт биологии моря, Дальневосточное отделение РАН, Владивосток 2 Калифорнийский университет, Отделение экологии и эволюционной биологии, Ирвайн, США

Представлены результаты исследований нуклеотидного полиморфизма р-эстеразных генов, Est-6 и yEst-6, в четырех выборках Drosophila melanogaster из природных популяций восточной Африки (Зимбабве), Европы (Испания), Северной Америки (США, Калифорния) и Южной Америки (Венесуэла). Обнаружено, что гаплотипы обоих генов имеют сложную структуру, а дивергентные последовательности находятся в разной степени ассоциации с F/S аллозимным диморфизмом Est-6 в разных популяциях. Общее нуклеотидное разнообразие существенно выше у yEst-6, чем у Est-6. Наибольшая изменчивость выявлена в африканской выборке. Значительное неравновесие по сцеплению обнаружено в неафриканских выборках, однако в африканской популяции неравновесие не выявлено. Тесты на нейтральность существенны в неафриканских выборках, но несущественны в африканской выборке. Предполагается, что демографическая история является главным фактором, определяющим паттерн нуклеотидного полиморфизма в в-эстеразном кластере генов. Однако имеются и явно выраженные признаки действия позитивного отбора, формирующего специфическое распределение нуклеотидного полиморфизма. в-эстеразный кластер генов может представлять неделимый функционально взаимодействующий комплекс ("интерген"), в котором каждый компонент (Est-6 или yEst-б) по отдельности не способен выполнять полную функциональную роль.

ВВЕДЕНИЕ

Генный кластер Р-эстераз у D. melanogaster располагается на левом плече третьей хромосомы в позиции 68F7-69A1 (см., однако, [77]). Кластер включает два тандемно дуплицированных гена, Est-6 и Est-P, с одинаковой 5' —- 3' ориентацией [25]. Кодирующие области генов представлены двумя экзонами (1387 и 248 нуклеотидов), разделенными коротким (51 нуклеотид у Est-6 и 56 нуклеотидов у Est-P) интроном [25, 70]. Два гена обнаруживают соответственно 64 и 60% сходства на уровне ДНК и белка [25]. У других видов Drosophila Р-эстеразный генный кластер включает также два (или три - у D. pseudoobscura и близких видов) тесно сцепленных гена с одинаковым направлением транскрипции и сходной экзон/интронной структурой [4, 24, 30, 56, 68, 73].

В литературе имеется обширная информация по биохимической, популяционной и эволюционной генетике Est-6 [5, 68, 71, 73, 79]. Рассмотрим кратко некоторые данные, имеющие отношение к настоящему исследованию.

Est-6 кодирует Р-карбоксилэстеразу (EST-6) [5, 50], которая переносится в семенной жидкости от самцов к самкам в процессе копуляции [78] и влияет на последующее поведение и склонность к спариванию у самок [37]. Райт [93] обнаружил два главных аллозима (Fast, или F и Slow, или S) EST-6

у D. melanogaster, показал их менделевское наследование, выявил дифференциальный ответ на ор-ганофосфатный ингибитор и поставил вопрос об адаптивной важности этого полиморфизма. F/S аллозимы демонстрируют широкомасштабные повторяющиеся широтные клины [69], при этом частота S аллозима увеличивается в популяциях высоких широт. Данное наблюдение и результаты лабораторных экспериментов предполагают, что F/S аллозимный полиморфизм EST-6 у D. melanogaster поддерживается некоторой формой позитивного отбора [1, 2, 7] (обзор данных и дополнительные ссылки можно найти в работах [68, 71, 73, 79]). Кук и Окшот [27] секвенировали полную кодирующую область Est-6 и выдвинули гипотезу о том, что F/S аллозимы отличаются двумя аминокислотами (Асн/Асп в позиции 237 и Тре/Ала в позиции 247) (иная точка зрения представлена в работах [20, 38]) и что эти два аминокислотных полиморфизма являются наиболее вероятными целями отбора, обусловливающими широтные клины.

Несколько независимо действующих ds-регу-ляторных промоторных элементов, контролирующих экспрессию Est-6 в различных тканях, были идентифицированы в пределах 1.2 тысяч нуклеотидов 5'-фланкирующей области [40, 61]. Обнаружено также, что полиморфизм RsaI сайта в промоторе Est-6 проявляет существенную ассоциа-

цию с количеством и активностью EST-6 у самцов D. melanogaster [34]. Учитывая влияние различия в активности EST-6 у самцов на репродуктивный успех их спариваний [79], Гейм и Окшот предположили, что ds-регуляторный полиморфизм может быть важным фактором адаптивной изменчивости [34]. Действительно, значимые корреляции обнаружены между некоторыми компонентами приспособленности (жизнеспособность, время развития, возраст спаривания, частота повторного спаривания, продукция яиц и плодовитость) и уровнем активности EST-6 [72, 82]. Секвенирова-ние 974 нуклеотидов промотора Est-6 позволило идентифицировать нуклеотидное замещение, обусловливающее RsaI полиморфизм (T —»- G в позиции -531), а также выявить пик полиморфизма вокруг этого сайта [74, 75]. При сопоставлении генетических и биохимических данных установлено, что взрослые самцы, носители RsaI+ гапло-типов, продуцируют приблизительно на 25% больше фермента EST-6, чем носители RsaI-гап-лотипов [75].

Информация по Est-P значительно более ограничена. Функция данного гена неизвестна. Кол-лет и соавторы [25], впервые описавшие Est-P, обнаружили ее транскрипты у D. melanogaster на стадии поздней личинки и взрослых особей обоих полов, тогда как транскрипты Est-6 выявляются в основном у взрослых самцов. Авторы [25] предположили, что продукты этих генов имеют различные физиологические функции. Наличие преждевременных стоп-кодонов в пределах кодирующей области Est-P и некоторые другие признаки позволили предположить, что Est-P фактически является псевдогеном, который был назван уEst-6 [12, 21]. Однако данные о том, что некоторые аллели Est-P продуцируют каталитически активную эстеразу [29], соответствующую ранее идентифицированному изоферменту EST-7 [40], побудили переименовать ген в Est-7 [29].

Мы исследовали нуклеотидную изменчивость отдельно для Est-6 и yEst-6 сначала в однократной выборке D. melanogaster из калифорнийской популяции [11, 12, 19, 20]. Также был проведен анализ энтропии с использованием спектральных методов [6, 21] и изучена нуклеотидная изменчивость Est-6 и yEst-6 в трех других выборках из природных популяций восточной Африки (Зимбабве), Европы (Испания), Северной Америки (США, Калифорния) и Южной Америки (Венесуэла) [13, 16, 18]. В настоящем обзоре мы резюмируем результаты данных исследований, представляя анализ нуклеотидной изменчивости в полном Р-эстеразном кластере генов в четырех природных популяциях D. melanogaster (всего 78 изохро-мосомных линий). Полная длина секвенирован-ной последовательности составляет 5394 нуклеотидов и включает 5'-фланкирующий регион, ген

Est-6, межгенный регион, предполагаемый псев-доген yEst-6 и 3'-фланкирующий регион.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Линии D. melanogaster, гомозиготные по третьей хромосоме [85], происходят от диких мух, собранных в Африке (Zim: Зимбабве), Европе (Bar: Барселона, Испания), Северной Америке (ER: Эл Рио, Калифорния, США) и Южной Америке (Ven: Каракас, Венесуэла). Линии обозначены в соответствии с электрофоретическими аллелями по локусам эстеразы-6 (буква до дефиса) и суперок-сиддисмутазы (буква после номера линии): ультра-медленный (US), медленный (S) и быстрый (F). Например, линия Ven-S-16F, происходит от мух, собранных в Венесуэле и имеет медленный (S) аллель по локусу эстеразы-6 и быстрый (F) по локу-су супероксиддисмутазы. Африканские линии мух (из национальных парков Сенгва и Хараре) получены из лаборатории C.-I. Wu. В обозначениях данных линий отмечены места сбора мух, S -Сенгва и H - Хараре (буква до номера линии), и аллель (S или F) по локусу эстеразы-6. Линия Zim-S-44F поддерживается в лаборатории Ф. Дж. Ай-алы как референтная.

Процедуры экстракции ДНК, рестрикционно-го картирования, клонирования, амплификации и секвенирования описаны ранее [3, 12, 19-21]. Для каждой линии определялись последовательности обеих цепей ДНК с использованием 24 перекрывающихся внутренних праймеров, расположенных на расстоянии (в среднем) 350 нуклеотидов. Две независимые амплификации были проведены и секвенированы в обоих направлениях для каждого полиморфного сайта для того, чтобы предотвратить возможные ошибки, возникающие при амплификации или секвенировании. Полученные нуклеотидные последовательности размещены в генном банке под инвентарными номерами: AF526538 - AF526559, AF150809 - AF150815, AF147095 - AF147102, AF217624 - AF217645; AY247664 - AY247713, AY247987 - AY248036.

Ассемблинг нуклеотидных последовательностей ß-эстеразных генов осуществлялся с использованием программы SeqMan (Lasergene, DNASTAR, Inc., 1994-1997). Множественное выравнивание последовательностей выполнялось с использованием программы CLUSTAL W [91] и уточнялось вручную с использованием программы PROSEQ, версия 2,4 [32]. Неравновесие по сцеплению между полиморфными сайтами оценивалось с использованием точного теста Фишера. Компьютерные программы DnaSP, версия 3,4 [81] и PROSeQ [32] использовались для большей части анализов внутривидовой изменчивости. Отклонения от нейтральных ожиданий оценивались по тестам Таджимы [89], Келли [54] и Волла [92], инкорпорирующим рекомбинацию. Моделирование коалесцентного

процесса [42, 43], выполнялось при помощи программ DnaSP и PROSEQ для оценки вероятностей наблюдаемых значений статистик D [89], ZnS [54], B и Q [92], а также доверительных интервалов значений нуклеотидного разнообразия. Для обнаружения внутри- и межгенных конверсионных событий использовался метод Сойера [84]. Популя-ционная рекомбинационная частота анализировалась при помощи пермутационного метода Мак-Вина [62], основанного на коалесцентном подходе Хадсона [44]. Для филогенетических построений использовали программу MEGA [57].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Нуклеотидный полиморфизм. При исследовании 78 последовательност

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком