МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2004, том 38, № 3, с. 442-448
== ГЕНОМИКА. ТРАНСКРИПТОМИКА. ПРОТЕОМИКА =
УДК 575.174:599
СХОДСТВО МУТАЦИОННЫХ СПЕКТРОВ ГИПЕРВАРИАБЕЛЬНОГО СЕГМЕНТА 1 МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК У ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОДОВ Homo И Pan
© 2004 г. Б. А. Малярчук*
Институт биологических проблем Севера Дальневосточного отделения Российской академии наук,
Магадан, 685000 Поступила в редакцию 25.11.2003 г.
Сопоставлены мутационные спектры гипервариабельного сегмента 1 (ГВС1) митохондриальной ДНК (мтДНК) восточных шимпанзе (Pan troglodytes schweinfurthi) и человека. Обнаружено сходство основных характеристик этих мутационных спектров (существенное преобладание транзиций над трансверсиями, пиримидиновых транзиций над пуриновыми, транзиций C —► T над T —► C, соответствие нуклеотидного состава ГВС1 мтДНК). Установлено, что одним из основных механизмов контекст-зависимого мутагенеза мтДНК восточных шимпанзе и человека является смещение (дислокация) цепей ДНК в процессе репликации. На долю нуклеотидных позиций, нестабильность которых объясняется моделью дислокационного мутагенеза, приходится 21% вариабельных позиций ГВС1 шимпанзе. Выявлено сходство вариабельных мотивов ГВС1 мтДНК шимпанзе и человека. С помощью сравнительного анализа нуклеотидных последовательностей ГВС1 неандертальцев и человека установлено, что вариабельные нуклеотиды локализованы у них, главным образом, в участках ДНК, нестабильность которых может быть связана с контекст-зависимыми механизмами мутагенеза.
Ключевые слова: митохондриальная ДНК, гипервариабельный сегмент 1, шимпанзе, человек, неандертальцы, нуклеотидные замены, контекст ДНК, механизмы мутагенеза.
Филогенетический анализ данных об изменчивости митохондриальной ДНК (мтДНК) у приматов находит широкое применение в изучении эволюции человека [1-5]. Анализ полиморфизма мтДНК позволил установить, что наиболее близким к человеку видом является шимпанзе [6]. Более детальные популяционные исследования изменчивости гипервариабельного сегмента 1 (ГВС1), главной некодирующей области мтДНК, у человека и различных видов шимпанзе, горилл и орангутанов [1], выполненные с использованием специальных алгоритмов филогенетического анализа (в частности метода "topiary prunning" [7], позволяющего учитывать гомоплазию мутаций), указывают на выраженное сходство нуклеотидных последовательностей мтДНК человека и шимпанзе. Это проявляется в существовании единого филогенетического кластера Homo-Pan с высокой статистической поддержкой - от 53 до 95% - в зависимости от значений параметра PL, учитывающего степень гомоплазии мутаций. Результаты филогенетических исследований свидетельствуют о том, что в истории Homo sapiens был период резкого снижения численности, на что указывают крайне низкие значения разнообразия мтДНК человека по сравнению с различ-
* Эл. почта: malyar@ibpn.kolyma.ru
ными видами обезьян. Единственное исключение составляют восточные шимпанзе Pan t. schweinfurthi, разнообразие мтДНК которых сходно с разнообразием мтДНК у человека [1]. У человека и восточных шимпанзе наблюдаются также сходные профили распределения попарных нуклеотидных различий в ГВС1, а анализ без учета влияния гомоплазии мутаций (при PL = 10) приводит к тому, что гаплотипы мтДНК человека и восточных шимпанзе сливаются в единый кластер [1].
Таким образом, учитывая столь высокое филогенетическое сходство между человеком и восточными шимпанзе, правомерен вопрос о том, насколько сходны их мутационные спектры ГВС1 мтДНК. Мутационные спектры гипервариабельных сегментов мтДНК человека изучены достаточно хорошо, чтобы можно было наметить основные пути выяснения механизмов появления мутаций [8-11]. Так, в ГВС1 и 2 найдены "горячие" точки мутаций, описаны основные гипервариабельные мотивы, мутации в которых могут возникать как в "горячих" точках, так и в соседних по отношению к ним позициях [10, 11]. Анализ мутационных спектров главной некодирующей области мтДНК, реконструированных с помощью филогенетического анализа популяционных данных, показал, что мутационный процесс в мтДНК че-
СХОДСТВО МУТАЦИОННЫХ СПЕКТРОВ
443
ловека зависит от полинуклеотидного контекста, а значительная доля мутаций в "горячих" точках (~20% в ГВС1, ~50% в ГВС2) объясняется моделью смещения цепей мтДНК (как праймерной, так и матричной) в процессе репликации [11]. В настоящей работе проведен сравнительный анализ мутационных спектров ГВС1 мтДНК у представителей родов Pan (восточных шимпанзе) и Homo (человека и неандертальцев).
УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Проанализированы нуклеотидные последовательности ГВС1 мтДНК восточных шимпанзе (n = 178; по данным [2, 3]), представленные в базе данных HVR-Base [12]. Для реконструкции мутационного спектра ГВС1 (в области 16090-16365 согласно нумерации нуклеотидов в кембриджской эталонной последовательности мтДНК человека [13]) и поиска предковых последовательностей мтДНК с помощью методов минимальной эволюции (ME) и максимальной экономии (MP) использовали пакет программ MEGA version 2.1 [14]. В контекстном анализе учитывали ближайшее окружение вариабельных позиций (на расстоянии ±5 н. от анализируемой позиции). При поиске мутаций, возникших из-за смещения (дислокации) цепей ДНК в процессе репликации (в соответствии с моделью дислокационного мутагенеза [15]), анализировали мутации во всех возможных тринуклеотидных последовательностях, которые содержат монотонные динуклеотидные участки, расположенные с 5'- и 3'-концов (24 типа последовательностей). Модель дислокационного мутагенеза ДНК [15] основана на предположении о том, что смещение цепей ДНК на участках повторяющихся последовательностей в процессе репликации может приводить к последующему быстрому выравниванию нуклеотидных последовательностей с появлением неспаренных оснований в участке смещения одной из цепей. Статистический анализ данных проводили с помощью пакета программ STATISTICA/w 5.0.
В сравнительном анализе использовали мутационный спектр ГВС1 мтДНК человека, реконструированный с помощью филогенетического анализа популяционных данных об изменчивости кодирующих и некодирующих районов митохонд-риального генома [11].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Филогенетический анализ данных об изменчивости нуклеотидных последовательностей ГВС1 мтДНК в выборке (n = 178) восточных шимпанзе (Pan t. schweinfurthi), выполненный с помощью алгоритмов ME и MP пакета MEGA, позволил определить эталонную последовательность ГВС1, относительно которой проводили реконструк-
цию мутационного спектра ГВС1 у шимпанзе (рисунок). Эталонная последовательность отличается вариантом 16136Т от корневой последовательности #44 (по результатам МЕ-анализа) и вариантами 16171С,16188С,16193С, 16218С, 16266С и 16284А от корневой последовательности #178 (по результатам МР-анализа) (нумерация нуклеотидов соответствует принятой в базе данных НУК-Ваве [12]). На рисунке показаны мутационные спектры Ь-цепи ГВС1 мтДНК восточных шимпанзе и гомологичного участка мтДНК человека. Сравниваемые последовательности ГВС1 различаются в 46 позициях, т.е. степень гомологии составляет 83.3%.
Анализ мутационного спектра ГВС1 в выборке восточных шимпанзе выявил полиморфизм 81 из 275 проанализированных позиций. Всего в этих позициях обнаружено 90 нуклеотидных замен, которые относятся преимущественно к тран-зициям - соотношение числа транзиций к трансверсиям составило 6.5 : 1. Из транзиций наиболее распространены пиримидиновые замены (отношение пиримидиновых замен к пуриновым составляет 3.1 : 1), среди которых в 1.8 раза чаще наблюдаются замены С —► Т. Распределение частот мутаций в различных нуклеотидах соответствует, в целом, нуклеотидному составу анализируемого участка мтДНК (Т - 22.3%, С - 35.2%, А -33.2%, в - 9.2%). Так, минимальное число мутаций (4.5%) наблюдается в в, а максимальное - в С (48.7%), однако отклонения в частоте мутаций других оснований (мутации Т встречаются чаще, чем А) приводят к недостоверной корреляции между распределением частот нуклеотидов и частот мутаций (Я = 0.75, р = 0.25).
Выявленные особенности мутационного спектра ГВС1 мтДНК шимпанзе хорошо соответствуют характеристикам мутационного спектра мтДНК человека [11]. Это - существенное преобладание транзиций над трансверсиями, пиримидиновых транзиций над пуриновыми, транзиций С —► Т над Т —► С, а также совпадение нуклео-тидного состава анализируемого участка мтДНК.
Анализ мутационных спектров главной неко-дирующей области мтДНК человека показал, что мутационный процесс в ГВС1 зависит от контекста нуклеотидной последовательности [10, 11]. Использование контекстного анализа мутаций в ГВС1 мтДНК восточных шимпанзе показало, что полиморфные позиции расположены в пределах участков ДНК, которые можно разделить на несколько групп гипервариабельных мотивов (табл. 1). Наиболее интересна группа позиций, происхождение мутаций в которых объясняется моделью дислокационного мутагенеза (группа I). Их доля составляет 21% от числа вариабельных позиций в ГВС1 мтДНК шимпанзе. Следует отметить, что в ГВС1 мтДНК человека ~35% вариабельных нуклеотидов находятся в позициях, по-
Мутационные спектры ГВС1 мтДНК восточных шимпанзе (P. t. s.) и человека (H. s.). Числами над нуклеотидными основаниями мтДНК человека показано количество независимых мутаций, произошедших в 34 филогенетических группах мтДНК (по [11]). Под нуклеотидными основаниями мтДНК шимпанзе указаны типы замен. Звездочками отмечены пары гомологичных нуклеотидов. Нумерация нуклеотидов соответствует кембриджской последовательности мтДНК человека [13].
СХОДСТВО МУТАЦИОННЫХ СПЕКТРОВ Таблица 1. Вариабельные мотивы ГВС1 мтДНК восточных шимпанзе
Группа
Участок мтДНК Мутация Вариабельная позиция Группа Участок мтДНК Мутация Вариабельная позиция
T T C C —► T 16095, 16261 A AC A —► G 16227
CC T T —► C 16186, 16224, 16263 A C AAC A —► T 16246
C C T C —► T 16223 CACACA A —► G 16235
C TT C —► T 16296 C AC C —► T 16232
T CC T —► C 16186,16263 IV TC C C —► T 16188
T C C C —► T 16264, 16294 (если 16295C), 16357 CTCTCT C —► T 16294
TTC T —► C 16260, 16295 (если 16294T) C TCTCT T —► C 16295
CC A A —► C 16189 T CCCCC C —► T 1626
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.