ГЕНЕТИКА, 2015, том 51, № 8, с. 915-923
ГЕНЕТИКА ЖИВОТНЫХ ^
УДК 575.174:599.742.4
ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ КОНФЛИКТЫ ПРИ ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ РАЗЛИЧНЫХ УЧАСТКОВ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ГЕНОМА СОБОЛЯ (Martes zibellina L.) © 2015 г. Б. А. Малярчук, М. В. Деренко, Г. А. Денисова, А. Н. Литвинов
Институт биологических проблем Севера Дальневосточного отделения Российской академии наук, Магадан 685000 e-mail: malyarchuk@ibpn.ru Поступила в редакцию 05.08.2014 г.
Филогенетический анализ различных участков митохондриального генома соболя показал наличие нескольких топологий филогенетических деревьев, однако наиболее достоверной в статистическом отношении является топология A-BC, полученная в результате анализа как митохондриального генома в целом, так и отдельно генов CO1, ND4и ND5. Анализ межгрупповой дивергенции гаплотипов мтДНК (Д^) свидетельствует о том, что лишь для шести генов, показавших топологию A-BC (12S рРНК, CO1, CO2, ND4, ND5 и CYTB), максимальным значениям Бху между группами A и BC соответствовали минимальные различия между группами B и C. Предполагается, что топологические конфликты, наблюдаемые при анализе отдельных участков мтДНК соболя, связаны с неравномерностью распределения мутаций как вдоль митохондриального генома, так и по митохондриальному дереву. Это может быть обусловлено как случайными причинами, так и неравномерным действием отбора.
DOI: 10.7868/S0016675815060090
Результаты исследований изменчивости мито-хондриальной ДНК (мтДНК) широко используются в молекулярной филогенетике, что связано с высокой скоростью накопления мутаций (на порядок более высокой, чем в ядерных генах) и материнским характером наследования без рекомбинации. Размер митохондриального генома у позвоночных невелик (примерно 16—20 тыс. пар нуклеотидов (пн)) и поэтому последовательности мтДНК различных организмов могут быть прочитаны целиком даже в популяционных масштабах. Тем не менее к настоящему времени в основном накоплен популяционный материал об изменчивости отдельных участков мтДНК — например, генов первой субъединицы цитохром-с-оксидазы (С01), цитохрома Ь (СУТИ), второй субъединицы МАЭН-дегидрогеназы (N02) или участка главной некодирующей области (Э-петли). Обычно предполагается, что филогенетический анализ различных участков мтДНК должен приводить к одинаковым топологиям филогенетических деревьев, однако это не всегда так. Например, топологические конфликты были обнаружены при анализе различных участков мтДНК как у позвоночных в целом [1, 2], так и в отдельных группах: у летучих мышей [3], чешуйчатых рептилий [4], амфибий [5, 6] и куриных птиц [7, 8]. Это, по всей видимости, связано с неравномерностью мутационного процесса в митохондриальных геномах, и поэтому в зависимости от выбора участка мтДНК
эволюционные сценарии, отраженные в филогенетических деревьях, могут различаться.
Для улучшения топологий филогенетических деревьев (в тех случаях, когда имеют место топологические конфликты в разных участках мтДНК) применяются некоторые аналитические подходы, связанные, например, с использованием более реалистичных эволюционных моделей, со снижением "шума", заглушающего филогенетический сигнал, с исключением отдельных проблемных сайтов из анализа или с увеличением числа анализируемых таксонов [9—12]. Однако причины топологических конфликтов остаются, как правило, неясными.
Исследования генетической истории соболя (Marteszibellina L.) — ценного промыслового вида, распространенного в таежной зоне всей России от Урала до Дальнего Востока и Камчатки, проводятся в основном с использованием или отдельных митохондриальных маркеров (участка D-петли, генов CYTB и ND2), или их комбинаций (D-петля и CYTB , CYTB и ND2), хотя преобладают одноген-ные исследования [13—18]. Результаты филогенетического анализа участков мтДНК, представленные в различных работах, к сожалению плохо сопоставимы и в связи с этим разработка классификации гаплотипов мтДНК, распространенных в популяциях соболя, пока еще находится в начальной стадии. В первых исследованиях ре-стрикционного полиморфизма генов CYTB и ND5 было выявлено три группы гаплотипов (гапло-
группы) мтДНК соболя — A, B и C, но характер филогенетических отношений между ними не был установлен [19, 20]. Дальнейшие исследования полиморфизма нуклеотидных последовательностей гена CYTB подтвердили наличие этих гаплогрупп мтДНК и показали, что митохондри-альный генофонд соболя делится на две филогенетические группы А и ВС, последняя из которых распадается на клады В и С [13]. При этом гапло-типы мтДНК соболей с Камчатки и Хоккайдо входили в состав отдельных подгрупп гаплогруп-пы A — A1 и A2 соответственно. Недавние исследования филогеографии соболя из популяций юго-восточной части ареала, основанные на анализе изменчивости генов CYTB, tRNA (Pro), tRNA (Thr) и участка D-петли [17], подтвердили такую топологию митохондриального дерева, т.е. наличие одинарной клады А и бинарной клады В, представленной группами B1 (соответствует группе C в работе [13]) и B2 (соответствует группе B в работе [13]). Между тем, исследование изменчивости гена ND2 соболя в популяциях Дальнего Востока, предпринятое Sato et al. [14], тоже позволило выявить три клады мтДНК: одинарную R3 и бинарную, состоящую из групп R2 и R1 + H1. В этом случае, однако, гаплотипы соболя из Хоккайдо (H1) входили в состав бинарной клады, а не одинарной, как в случае гена CYTB. Популяцион-ные исследования изменчивости короткого участка D-петли (всего 427 пн) показали наличие двух клад мтДНК соболя (I и II), однако статистическая поддержка филогенетических кластеров была очень низкой [16]. Таким образом, представленные данные, на наш взгляд, свидетельствуют о противоречивости результатов филогенетического анализа отдельных участков мтДНК соболя.
Недавно нами было опубликовано филогенетическое дерево гаплотипов мтДНК соболя, основанное на изменчивости почти полных мито-хондриальных геномов (за исключением 3'-участ-ка D-петли длиной 795 пн, представленного тандемными повторами) [21]. Топология этого дерева соответствует таковой для гена CYTB, однако появление данных о полногеномной изменчивости мтДНК позволяет, наконец, исследовать вопрос о конгруэнтности топологий филогенетических деревьев, полученных для отдельных участков митохондриального генома, и в случае топологических конфликтов проанализировать причины неконгруэнтности. Целью настоящей работы является, таким образом, исследование этих вопросов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В анализе использованы данные об изменчивости 36 митохондриальных геномов соболя из популяций Дальнего Востока, Камчатки, Красноярского края и Урала (номера в GenBank:
KJ202609—KJ202644) по данным работы [21] и двух митохондриальных геномов соболя из Северо-Восточного Китая (HM106323 и NC_011579) по данным работ [22] и [23] соответственно. Кроме мтДНК M. zibellina, для филогенетического анализа были использованы в качестве внешних групп митохондриальные геномы следующих животных: лесной куницы, M. martes (KC660129; [24]), каменной куницы, M. foina (HM106325; [22]), американской куницы, M. americana (HM106324; [22]), японского соболя, M. melampus (NC_009678; [25]), харзы, Martes flavigula (HM106326; [22]), росомахи, Gulo gulo (NC_009685; [26]) и ильки, M. pennanti (HM106327; [22]). Множественные выравнивания нуклеотидных последовательностей проводили с помощью программы ClustalW пакета программ MEGA 5.05 [27].
Для выравнивания нуклеотидных последовательностей митохондриальных геномов соболя с целью их последующего анализа с помощью метода медианных сетей использовали программу DNA Alignment 1.3 (www.fluxus-engineering.com). Медианные сети гаплотипов мтДНК соболя реконструировали с помощью алгоритма MJ (Median-Joining) программы Network 4.6.1.1 (www.fluxus-engineering.com).
Выбор наиболее оптимальных моделей нук-леотидных замен проводили с помощью критерия BIC (Bayesian Information Criterion) пакета программ MEGA 5.05. Для филогенетического анализа применяли метод ближайшего соседа (NJ, Neighbor Joining), реализованный в пакете программ MEGA 5.05, и метод Байеса (BI, Bayesian Inference), реализованный в пакете программ BEAST 1.7.5 [28].
В случае байесовского анализа проводили по три независимых цикла каждый длиной 60 миллионов (млн) поколений для полногеномных последовательностей мтДНК и 10 млн поколений для каждого из проанализированных участков мтДНК, за исключением гена ND1, для анализа которого понадобилось 20 млн поколений. Для анализа данных, сгенерированных BEAST 1.7.5, использовали программу Tracer 1.4. Цепи MCMC (Markov Chain Monte Carlo) считали стабилизированными, если значение параметра ESS (Effective Sample Size) для всех статистик было более 200. Для визуализации филогенетических деревьев, сгенерированных с помощью программы TreeAnnotator 1.7.5, использовали программу FigTree 1.4.0. Значения байесовских апостериорных вероятностей (BPP), равные 95% и выше, считали высокодостоверными.
Степень нуклеотидных различий между последовательностями мтДНК определяли с помощью показателя D^ (среднее число нуклеотидных различий на сайт), используя программу DnaSP 5.10 [29].
Таблица 1. Топологии филогенетических деревьев, построенных с помощью метода ближайшего соседа (N7) и байесовского анализа (В1), для различных участков митохондриального генома соболя
Участок мтДНК Длина, пн Топология Модель эволюции
128 960 N7: А:48,((В:33,С:64):44) В1: А:99,((В:8,С:94):9) TN93 + G HKY + G
Ш 1568 N7: (А + С):22,((А:34,В:66):4) В1: В:100,((А:79,(А + С):8):20) TN93 + G ТШ3 + G
ND1 955 N7: А:83,((В:46,(А + С):33):78) В1: А:93,((С:100,(А + В):84):86) TN93 + G HKY + G
ND2 1042 N7: С:99,((А:57,В:99):64) В1: С:100,((А:99,В:100):52) TN93 + I ТШ3 + I
С01 1544 N7: А:82,((В:96,С:96):93) В1: А:100,((В:100,С:100):99) TN93 + G HKY + G
С02 684 N7: А:55,((В:65,С:56):97) В1: А:53,((В:94,С:46):100) TN93 + I HKY + G
АТР86 839 N7: А:60,((А:7,(А:57,((В:44,С:58):48)):17):15) В1: А:69,((В:77,С:98):86) TN93 + I TN93 + I
СОЗ 784 N7: А:42,((В:41,С:57):38) В1: В:97,((А:99,С:95):24) TN93 + G HKY + G
ND3 348 N7: В:68,((А:35,(А + С):42):79) В1: В:98,((А:57,
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.