ГЕНЕТИКА, 2007, том 43, № 12, с. 1611-1618
^=ОБЩАЯ
ГЕНЕТИКА
УДК 575.822
ОЦЕНКА ВКЛАДА ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКСПРЕССИИ ЛОКУСОВ
И АЛЛЕЛЬНЫХ ЗАМЕЩЕНИЙ В ГЕНЕТИЧЕСКУЮ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЮ ТАКСОНОВ РАЗНЫХ РАНГОВ У ЖИВОТНЫХ
© 2007 г. К. А. Трувеллер1, К. И. Чернышев2
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, кафедра зоологии беспозвоночных1, кафедра зоологии позвоночных2, Москва 119899; факс: +7(495) 939-43-09; e-mail: truveller@mail.ru Поступила в редакцию 25.09.2006 г.
Проведена количественная оценка вклада разных групп локусов (i - локусы с идентичным, s - сходным, d - полностью различающимся набором аллелей; o - локусы, для которых отмечено изменение экспрессии) в формирование генетических различий между таксонами животных разного ранга. Показано, что на внутривидовом уровне основное значение имеют i- и s-локусы; на видовом уровне картина дифференциации меняется, количественно на первый план выходят d-локусы и появляются о-локусы, что указывает на принципиальные изменения геномов при видообразовании. Соотношение вклада выделенных групп локусов относительно стабильно в пределах класса, а для разных классов - различается. Интересно, что птицы достигают значений видового уровня дифференциации амфибий (по соотношению выделенных компонентов) лишь на уровне семейств. Данный метод анализа особенно эффективно использовать для выделения гибридных популяций или особей.
Значение для систематики электрофоретиче-ских данных о составе аллозимов как маркеров генов уже давно сводится к возможности вычисления генетических дистанций между популяциями разных таксонов, полагаемых соразмерными времени дивергенции их генофондов [1]. За различиями генофондов популяций по составу аллозимов стоят мутации по структурным генам, определяющие замены аминокислот, с последующим действием на частоты генов отбора, дрейфа и факторов изоляции. Но при дивергенции таксонов помимо изменений локусов по частотам и составу аллелей отмечаются также их амплификация и регуляторные перераспределения экспрессии, обычные при тканевой дифференциации в онтогенезе [2]. Однако количественной оценки соотношения вкладов этих процессов в дифференциацию таксонов разного ранга у разных групп животных до сих пор не проводилось. Для проведения такой оценки следовало бы найти подходы к типизации генетических событий, стоящих за дифференциацией на разных таксономических уровнях, и к оценке вкладов каждого из них.
Во-первых, изменение частот аллелей локусов -наиболее примитивный и, наверное, самый распространенный способ формирования отличий без изменения качественного состава аллелей (и, пожалуй, самый изученный) в первую очередь между группировками внутривидового уровня. Процесс в достаточной степени стохастический, зависящий как от дрейфа генов, эффекта основа-
теля, так и от действия отбора, но оставляющий идентичным состав аллелей.
Во-вторых, качественное изменение аллель-ного состава локуса - появление новых аллелей в результате мутаций, их утрата как проявление действия отбора и/или дрейфа генов. Наборы аллелей по локусам как у разных популяций, так и у разных видов могут оставаться частично сходными или полностью различаться. Причем, исходя из общих соображений, степень отличия аллель-ного состава должна возрастать с повышением ранга таксонов.
В-третьих, амплификация локусов, после которой белки дивергируют функционально, что проявляется, например, в тканеспецифичной экспрессии локусов в онтогенезе. Дуплицированные локусы могут и не иметь структурных мутаций, оставаясь идентичными с исходными локусами по аллелям, но чаще их аллельный состав полностью различен. Изучение тканевой специфичности локусов белков у разных таксонов может дать представление о значении регуляторных изменений экспрессируемой части генома и их роли в эволюционной дивергенции [3, 4]. Репрессия/де-репрессия локусов встречается реже и должна быть характерна, вероятно, для таксонов видового ранга и выше.
Другие возможные источники различий по наборам аллозимов - транслокации и др. хромосомные перестройки, горизонтальный перенос, посттрансляционные модификации и пр. мы оставим в стороне.
1611
d
Рис. 1. Соотношения индексов различия (ё), идентичности ® и сходства (в) по электрофоретическим зонам спектров белков при попарном сравнении форм сельдей: 1 - harengus/pallasi, 2 - тихоокеанской/балтийской, 3 - беломорской/балтийской, 4 - тихоокеанской/беломорской, 5 - норвежской/североморской, 6 - североморской/балтийской, 7 - балтийской/норвежской. Коэффициенты дифференциации показаны радиусами кругов (из [5]).
Все три перечисленные группы локусов, формирующие межтаксонные различия, известны и в той или иной степени изучены. Однако вклад каждой из них в процесс эволюционной дивергенции до сих пор количественно не оценен. Приближением к получению таких оценок у нескольких таксонов животных как внутри-, так и видового и надвидового уровней дифференциации может быть оценка соотношения этих групп локусов в парах объектов сравнения. Опираясь на данные по частотам аллелей разных локусов ферментов из публикаций ряда авторов (предпочтение отдавалось работам, где число локусов было более 10), мы приняли разделение локусов на следующие четыре типа:
ьлокусы - локусы, идентичные по составу аллелей у объектов сравнения. Различия в частотах не учитывались;
в-локусы - локусы, сходные по составу аллелей. То есть часть аллелей в паре сравнения идентичны, а часть - различаются по подвижности;
ё-локусы - локусы, предположительно гомологичные или дуплицированные, но различающиеся в паре сравнения по подвижности всех аллелей;
о-локусы - локусы, экспрессия которых отсутствует у одного из объектов сравнения, т.е. предположительно репрессированные или фиксиро-
ванные по нуль-аллелю. Могут быть включены в группу d-локусов.
Первое применение такого подхода к анализу внутри- и межвидовой дифференциации по электрофоретическим спектрам белков морских сельдей Clupea harengus s.l. [5] показало различия уровней дифференциации помимо генетических дистанций и по соотношению этих трех групп локусов (о-локусы не выделялись из группы d-локусов) (рис. 1). Субпопуляции в пределах экологических рас - полностью идентичные по составу аллелей - имели различия лишь по частотам аллелей некоторых локусов, расы уже имели около четверти s-локусов. Между тихоокеанской и атлантической сельдью (теперь C. pallasi и C. harengus) различия определялись больше уже d- и s-локусами, из которых первые составляли около четверти, а вторые - половину от общего количества. И для беломорской C. pallasi n. maris-albi при сравнении ее с салакой (более двух третей s-локусов и всего менее одной десятой d-локусов) и с тихоокеанской сельдью (отсутствие d-локусов при почти половине s-локусов) выявлялся феномен спорадической гибридизации малопозвонковой беломорской сельди с многопозвонковыми атлантическими сельдями. Предложенный на основе отношения d-локусов к i-локусам коэффициент генетической дифференциации (дивергенции) [5] дал значения, близкие к полученным по соотношению d-, i- и s-аллелей значимой выборки локусов пар сравнения. Более того, он оказался соразмерным с числом мутаций на полипептид [6, 7], т.е. равным коэффициенту DNei, рассчитанному по частоте аллелей.
Между тем еще Джон Эвайс [1], хотя и отмечал, что "по любому отдельному локусу два организма могут быть идентичными (оба гомо- или гетерозиготными по тем же аллелям), на 50% сходными (alike) (т.е. один гомо-, другой гетерозиготен) или полностью разными (гомо- или гетерозиготны по разным аллелям)", не принял значения этих электрофоретических данных для систематики: "очевидно, такая информация дает мало пользы для систематики, поскольку два члена любой интербредной популяции могли бы оказаться столь же несхожими, как и представители разных видов. Так что интерес смещается от особей к популяциям, а наиболее весомые данные для систематики сейчас заключены в информации об аллельном составе во многих генетических локусах в различных популяциях". Однако по приводимым им же данным о существенных качественных межвидовых различиях по аллози-мам, в сравнении с межпопуляционными внутривидовыми, можно было бы сделать вывод об информативности такого подхода для систематики при сравнении даже единичных особей, но по достаточному числу локусов. Это бы избавило от необходимости использования больших выборок,
что не только расточительно, но и недопустимо в отношении редких и исчезающих видов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве исходного материала были использованы таблицы аллельных частот локусов ферментов из работ разных авторов (см. таблицу). Все локусы распределялись на четыре группы - о, d, s, и ц содержание этих групп описано выше.
Всего для получения средних по парам сравнения значений долей каждой из групп локусов в разных рангах таксонов было исследовано: для хвостатых амфибий - 508 пар единиц сравнений с
дисперсиями оценок а2 =
xi- (Xх)2
не пре-
вышавшими 3%; бесхвостых амфибий - 816 и 1% соответственно; птиц - 340 и 1%; рыб - 186 и 1%; насекомых - 25 и 1%; для ракообразных - 51 и 0%.
При таком способе обработки опубликованных данных следует иметь в виду возможность некоторого искажения соотношения групп локусов из-за неслучайного подбора именно тех, которые позволяют, так или иначе, дифференцировать объекты. В некоторых таких публикациях вероятно ьлокусы либо просто исключают из анализа, либо упоминают о них вскользь.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Внутривидовая популяционная дифференциация обсуждаемых таксонов животных невелика и преобладают здесь ьлокусы. Доля их у амфибий составляет 61% для хвостатых и 69% для бесхвостых (рис. 2,а, б), d-локусов на этом уровне мало -3-5% у обоих отрядов, а по s-локусам их доля выше у хвостатых - 37%, чем (25%) у бесхвостых, притом что о-локусов у Caudata не отмечено, а у Апига - всего 1%. Надо отметить, что в большинстве случаев дисперсия оценок низка и составляет десятые доли процента (т.е. а2 ~ 0 при округлении до целого). Лишь иногда она достигала 2% и в одном случае - 3%.
Подвидовой уровень не отличается принципиальным изменением соотношения
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.