ГЕНЕТИКА, 2010, том 46, № 9, с. 1168-1170
УДК 575.822:595.773.4
ЛАНДШАФТ АЛЬТЕРНАТИВНОГО СПЛАЙСИНГА В ГЕНОМЕ Drosophila melanogaster © 2010 г. В. Н. Бабенко1, Р. Б. Айтназаров1, Ф. А. Гончаров2, И. Ф. Жимулев2
1 Учреждение Сибирского отделения Российской академии наук Институт цитологии
и генетики, Новосибирск 630090; e-mail: bob@bionet.nsc.ru
2Учреждение Сибирского отделения Российской академии наук Институт химической биологии и фундаментальной
медицины, Новосибирск 630090 Поступила в редакцию 28.01.2010 г.
Изучена интенсивность альтернативного сплайсинга (число изоформ на ген) в зависимости от длины гена при рассмотрении различных геномных районов D. melanogaster. Выяснилось, что в районах с малой плотностью генов интенсивность альтернативного сплайсинга (АС) длинных транксриптов значимо выше, чем в районах с высокой плотностью генов, в то время как для малых длин генов картина была противоположной. Мы аппроксимировали экспоненциальное распределение плотности интронов в плотных и в разреженных районах Г-распределениями. Статистическое сравнение гамма-распределений подтвердило уменьшенный коэффициент X в разреженных районах (соответственно, средняя плотность интронов больше), что свидетельствует о релаксированном режиме эволюции по экзон-интронной структуре в разреженных районах.
Известно, что организация хроматина эукариот является многоуровневой [1]. Существует как глобальный, так и локальный уровни, которые регулируются сложной системой, состоящей как из элементов ДНК, так и рибонуклеопротеиновых комплексов, которая дополнена модификацией гистонов, метилированием ДНК и другими эпигенетическими факторами. Признано влияние структурной и пространственной организации хроматина на регуляцию экспрессии генов [1].
В настоящее время определено наличие доменной организации по плотности генов в хромосомах у высших эукариот [1]. При этом гены "домашнего хозяйства" часто кластеризуются в областях высокой плотности генов, в то время как тканеспецифичные гены часто предпочитают разреженные районы [1, 2].
На основании анализа распределения плотности генов нами было выявлено 218 районов в эух-роматической части генома, имеющих "гантельную" структуру по плотности генов. Гантельный район определялся тремя последовательными районами: в центре выраженное разрежение генов (Гантельная Ручка, ГР), по краям сгущение (фланги) [1, 3].
Мы изучили степень интенсивности альтернативного сплайсинга в ГР и их флангах. Обнаружилось, что при близкой средней интенсивности альтернативного сплайсинга в ГР по сравнению с флангами распределение числа изоформ на ген в ГР и флангах достоверно различается в зависимости от длины гена.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Аннотация генов использовалась из версии генома D. melanogasterv.5.12 (www.flybase.org). Всего было изучено 14058 генов из эухроматических районов трех хромосом: X, 2L, 2R, 3L, 3R. Для сравнения плотности интронов (число интронов на ген) в генах ГР и их флангах применяли дисперсионный /-тест Фишера; для сравнения числа изоформ в ГР и флангах — критерий хи-квадрат для четырехпольных таблиц. Аппроксимация Г-распределением плотности интронов осуществлена с помощью пакета STATISTICA v.6 (StatSoft Inc.).
Двухвыборочный /-тест для дисперсии плотностей интронов в различных районах в генах длиной более 13 тпн
Характеристики Число интронов на транскрипт
ГР Фланги
Среднее 9.48 9.04
Дисперсия 43.57 35.6
Число транскриптов 1776 826
d.f. 1775 825
F 1.22
P (F< f одностороннее 4.1 Е-4
F критическое 1.1
ЛАНДШАФТ АЛЬТЕРНАТИВНОГО СПЛАЙСИНГА
1169
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Выборка генов
В зависимости от плотности генов мы разделили эухроматические районы хромосом на разреженные (ГР) и плотные (фланги) [3]. Было идентифицировано 6077 генов, лежащих в ГР-районах, и 5799 генов во флангах, что в сумме составляет 87% эухроматических генов Б. те1апо-gaster. Среди них мы выделили гены, имеющие более одной изоформы: 1496 в ГР и 1370 во флангах (р < 0.9; значимого различия по сравнению с пропорцией числа генов нет). Общее число изо-форм в этих генах достигало 4432 и 3847 в ГР и флангах соответственно (р < 0.25; значимого различия нет).
Связь длины генов с временем репликации
Использовав данные по времени репликации генов в двух типах клеточных линий Б. те1апо-gaster Кс и С18 [4], для упрощения анализа мы ка-тегоризировали (распределяли в две группы) каждый ген как поздно или рано реплицированный на основе усредненного значения времени репликации по всем генам: если значение времени репликации было больше среднего — мы относили ген к поздно реплицированному, иначе — в противоположную категорию (рано реплицированно-му). Для анализа была взята линия клеток Кс, для клеток С18 получены аналогичные результаты (данные доступны по требованию). Затем мы вычислили пропорции рано и поздно реплицируе-мых генов для каждой категории генов (рисунок). Из рисунка видно, что длина гена достоверно связана со временем репликации (р < 9.8 Е-6; х2 = = 36.3; й./. = 7).
Длина гена не является исключительным фактором, определяющим время репликации гена. Как видно из рисунка, достаточно много длинных генов с ранней репликацией, которые, вероятнее всего, являются стадие- и тканеспецифиче-скими. Уместно заметить и то, что не все районы ГР являются поздно реплицируемыми [3].
Распределение интенсивности альтернативного сплайсинга в ГР и флангах
Из рисунка видно, что соотношение рано и поздно реплицируемых генов 50 : 50 достигается для длины генов около 13 тпн. Мы решили рассмотреть эту категорию генов не предмет интенсивности альтернативного сплайсинга. Мы идентифицировали 650 генов длиннее 13 тпн, в том числе 389 генов, имеющих более одной изоформы, в районах ГР и 313 генов длиной более 13 тпн, имеющих более одной изоформы, в районах флангов. При сравнении числа изоформ с числом локусов для ГР и флангов мы выявили значимое
5650 1694 925 665 486 211 63
30
%
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
0
1 5 10 15 20 40 70 100 Гены длиной более х, тпн □ Поздно реплицируемые гены
Доля поздно реплицируемых генов в ГР-районах Б. melanogaster. Над столбцами дан объем выборки каждой категории.
превышение числа изоформ генов в районах ГР по сравнению с флангами (389х 1782 У8 313х 828; р < 1.9 Е-10). При этом в генах умеренной длины (<13 тпн) мы наблюдали обратную картину: число изоформ на локус было больше во флангах (1496389 = 1107х 4432-1782 = 2650 У8 1370-313 = 1057х 3847-828 = 3019;р < 4.7 Е-4).
Проведя анализ плотности интронов на ген с помощью /-критерия в длинных генах ГР и флангов (таблица), мы убедились, что распределения плотностей интронов значимо отличаются в длинных генах ГР-районов и флангах за счет гораздо большей вариации числа интронов в генах ГР-районов.
Таким образом, свойства длинных генов из ГР и флангов различаются в том, что гены во флангах более однородны по плотности интронов, что, видимо, влечет большую однородность числа изоформ на ген. Это также подтверждается более высоким параметром скорости X во флангах при аппроксимации распределения числа генов по плотности интронов Г-распределением. Более высокое значение параметра скорости X во флангах связано с большей силой стабилизирующего отбора на гены в районах флангов, что подтверждается наблюдением пониженной частоты мутирования в генах с ранней репликацией по сравнению с поздно реплицируемыми генами [5].
Стоит заметить, что плотность интронов связана с длинами генов [6], а длинные интроны связаны с более интенсивным альтернативным сплайсингом [7]. При этом связь длинных генов и времени репликации хотя и является достоверной, но не является исчерпывающей и зависит от других факторов, например от связи с В-ламином [8].
2 ГЕНЕТИКА том 46 № 9 2010
1170
БАБЕНКО и др.
В работе мы исследовали ГР-районы, полагая плотность генов одним из основных признаков доменной структуры хроматина [1], влияющих, как мы указали, на режим эволюции экзон-ин-тронной структуры генов. Учет дополнительных факторов, связанных, в частности, с локальной упаковкой и модификацией хроматина [7, 9, 10], позволит более полно выявить детали этой эволюции.
Авторы благодарны Центру суперкомпьютерных вычислений ССКЦ СО РАН (www.sscc.ru) за поддержку вычислений.
Работа частично финансировалась из программы № 22 "Молекулярная и клеточная биология" Президиума РАН , грантом Научной школы 5104.2008.4 и Госконтрактом "ЯОВ^иКА" 02.740.11.0099.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Woodfine K., Fiegler H., Beare D.M. et al. Replication timing of the human genome // Hum. Mol. Genet. 2004. V. 13. № 2. P. 191-202.
2. Lercher M.J., Urrutia A.O., Hurst L.D. Clustering of housekeeping genes provides a unified model of gene order in the human genome // Nat. Genet. 2002. V. 31. № 2. P. 180-183.
3. Belyakin S.N., Babenko V.N., Maximov D.A. et al. Gene density profile reveals the landmarks of late replicated domains in Drosophila melanogaster genome // Chro-mosoma. 2010. (in press).
4. Schwaiger M., Stadler M.B., Bell O. et al. Chromatin state marks cell-type- and gender-specific replication of the Drosophila genome // Genes Dev. 2009. V. 23. №5. P. 589-601.
5. Stamatoyannopoulos J.A., Adzhubei I., Thurman R.E. et al. Human mutation rate associated with DNA replication timing // Nature Genetics. 2009. V. 41. № 4. P. 383-395.
6. Атамбаева Ш.А., Хайленко В.А., Иващенко А.Т. Изменения длины интронов и экзонов в генах араби-допсиса, риса, нематоды и человека // Молекуляр. биология. 2009. V. 42. № 2. C. 352-361.
7. Spies N, Nielsen C.B., Padgett R.A., Burge C.B. Biased chromatin signatures around polyadenylation sites and exons // Mol. Cell. 2009. V 36. № 2. P. 245-254.
8. Shevelyov Y.Y., Lavrov S.A., Mikhaylova L.M. et al. The B-type lamin is required for somatic repression of tes-tis-specific gene clusters // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2009. V 106. № 9. P. 3282-3287.
9. Andersson R, Enroth S., Rada-Iglesias A. et al. Nucleo-somes are well positioned in exons and carry characteristic histone modifications // Genome Res. 2009. V. 9. № 10. P. 1732-1741.
10. Schwartz S., Meshorer E., Ast G. Chromatin organization mar
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.