Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Молекулярная характеристика локусов, содержащих динуклеотидные микросателлиты, генома партеногенетической ящерицы Darevskia unisexualis. Монография
.pdf
А. В. ОМЕЛЬЧЕНКО
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛОКУСОВ,
СОДЕРЖАЩИХ ДИНУКЛЕОТИДНЫЕ
МИКРОСАТЕЛЛИТЫ, ГЕНОМА
ПАРТЕНОГЕНЕТИЧЕСКОЙ
DAREVSKIA UNISEXUALIS
Монография
Москва
2013
ЯЩЕРИЦЫ
УДК 59
ББК 28.693.34-4
О572
Рецензенты
В. Г. Петросян, г.н.с. УРАН Института проблем экологии и эволюции им.
А.Н. Северцева РАН, доктор биологических наук
С. Н. Клунова, профессор кафедры органической и биологической химии
МПГУ, доктор биологических наук
О572
Омельченко А. В. Молекулярная характеристика локусов,
содержащих динуклеотидные микросателлиты, генома партеногенетической
ящерицы Darevskia unisexualis: Монография. – М.: Прометей, 2013. – 102 с.
В настоящей работе впервые представлена детерминистическая
модель для количественной оценки вклада популяций в генофонд
партеногенетического вида, работающая на основе данных монолокусного
ПЦР-анализа и допускающая одновременный расчет по результатам ПЦРанализа нескольких полиморфных локусов.
Реализация данной математической модели позволяет количественно
определить вклад популяций в генофонд партеногенетических видов и
раскрывает генетико-популяционную структуру партеновида. Полученные
количественные оценки могут быть широко использованы в работе по охране
редких видов позвоночных животных в целом и партеновида D. unisexualis в
частности.
ISBN 978-5-7042-2456-3
В авторской редакции
. Омельченко, 2013
© А. В
© Издательство «Прометей», 2013
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………... 5
1.
Геномные исследования – путь изучения процессов
популяционной и эволюционной биологии на
молекулярном уровне.............................................................
1.1 Термодинамический аспект структурной организации генома
эукариот..................................................................................... 8
1.2 Вариабельность генома и генетико-популяционные
исследования……...................................................................... 12
1.2.1 Молекулярные маркеры в генетических исследованиях……... 12
1.2.2. Математическое моделирование генетико-популяционных
процессов……………………………………………………....... 14
1.2.2.1. Классификация математических моделей в биологии, классы
задач и математический аппарат…………………………........ 15
1
.2.2.2. Математическое моделирование генетических процессов на
популяционном и видовом уровнях………………………....... 18
2.
Исследование микросателлитных динуклеотидных
локусов генома партеногенетической ящерицы Darevskia
unisexualis…………………........................................................
2.1. Получение и характеристика рекомбинантных клонов,
содержащих (TG)
-микросателлиты, из геномной клонотеки
n
D. unisexualis.………................................................................. 20
2.2. Анализ изменчивости микросателлитных локусов у
партеновида D.unisexualis…………………………………….... 21
2.3. Сравнительный анализ биохимических и физико-химических
характеристик микросателлитных локусов генома
D. unisexualis…............................................................................ 26
2.4. Математическое моделирование и анализ закономерностей
распределения частот аллелей вариабельных локусов в
8
20
3
популяциях D.unisexualis. Разработка математической модели
для характеристики генофонда однополых видов.…............. 56
3.
Проблема изучения микросателлитной изменчивости в
свете геномных исследований………………........................ 63
3.1. Полиморфизм микросателлитсодержащих локусов генома у
различных однополых и двуполых видов рода
Darevskia……………………………........................................... 63
3.2. Интерпретация результатов биохимического и физико-
химического анализа в приложении к исследованиям
вариабельных участков генома…............................................... 67
3.3. Сравнительный анализ, практика и пе
рспективы применения
предложенной математической модели…………………….... 76
Заключение…………………………………………………….... 83
Литература………………………………………….................... 85
4
Введ
ение
Молек
улярные механизмы и характеристика процессов нестабильности
генома являются наиболее актуальными вопросами молекулярной биологии и
биохимии нуклеиновых кислот. Микросателлитные последовательности ДНК
выступают как один из факторов подобной нестабильности. Микросателлиты
представляют собой тандемные повторы ДНК с размером мономерного звена
от 2 до 6 нуклеотидов. Микросателлитный кластер занимает в среднем от 20
до 60 пар нуклеотидов (за исключением э
кспансии триплетных повторов,
наблюдаемой при некоторых наследственных болезнях человека [Гайцхоки c
соавт., 2000]). Микросателлиты имеют высокие скорости мутирования от 10
-5
до 10
в зависимости от типа микросателлита [Ellegren, 2004], что приводит к
накоплению популяционно-специфических мутаций и позволяет
использовать информацию об изменчивости микросателлитных локусов для
анализа структуры популяций [Rosenberg et al., 2002]. Тамдемные повторы в
целом и микросателлитные последовательности ДНК в частности наделяются
рядом исследователей важной ролью в функционировании генома на
биохимическом, молекулярном и субклеточном уровнях [Зимницкий с соавт.,
2005]. В настоящее время к наиболее изученным относятся микросателлиты
человека, ряда животных и растений [Neff et al., 2001; Животовский, 2006]. В
то же время, однополые виды животных с клональным типом размножения
остаются все еще малоизученными как с точки зрения молекулярной
биологии и биохимии ДНК, так и с точки зрения генетической изменчивости
[Tokarskaya et al., 2001]. Уникальной природной моделью для п
роведения
исследований по характеристике и анализу микросателлитных
последовательностей ДНК является облигатно-партеногенетический вид
кавказских скальных ящериц Darevskia unisexualis [Arribas, 1999], который
имеет гибридное происхождение от родоначальных двуполых видов D. raddei
и D. valentini. Среди всего спектра микросателлитных последовательностей
-2
5
особое значение имеют динуклеотидные микросателлиты, которые не только
наиболее широко представлены в геноме эукариот [Sharma et al., 2007], но и
являются наиболее эволюционно-консервативными генетическими
маркерами ДНК.
Важным представляется характеристика полиморфных динуклеотидных
микросателлитных участков генома на уровне первичной структуры
молекулы ДНК. Подобные исследования становятся все более актуальными
для геномов многих позвоночных животных, однако проводятся лишь в очень
незначи
тельной степени для геномов партеногенетических видов в целом и
ящерицы D. unisexualis в частности. Мутационные изменения, затрагивающие
размеры микросателлитных кластеров и число микросателлитных звеньев,
изменяют такие важные молекулярно-биологические и биохимические
характеристики как нуклеотидный состав, GC-содержание локусов, энергия
Гиббса образования ДНК/ДНК-дуплекса, соотношение молекулярных масс
5’-3’ и 3’-5’ последовательностей. Количественная оценка под
обных
параметров характеризующих и объясняющих направление и интенсивность
биохимических реакций и взаимодействий при формировании вторичной
структуры, репликации и репарации молекулы ДНК поможет в дальнейшем
раскрытию глубинных биологических закономерностей на различных
уровнях организации живого.
Практическая ценность исследования микросателлитных участков ДНК
заключается в том, что на основе анализа вариабельности и
распространенности аллельных вари
антов данных локусов в популяциях
выделяются последовательности применимые в качестве генетических
маркеров. Однако, распространенные математические модели в большинстве
своем адаптированы для исследований популяций двуполых видов и не
приспособлены для популяций партеновидов [Петросян c соавт., 2003]. В
связи с этим, актуальной представляется разработка и реализация
математической модели, количественно определяющей вклад популяций в
генофонд партеногенетических вид
ов и раскрывающая генетико-
6
популяционную структуру партеновида. Данные количественные оценки
могут быть широко применимы в работе по охране редких видов
позвоночных животных в целом и партеновида D. unisexualis в частности.
7
1. Геномные исследования – путь изучения процессов популяционной
и эволюционной биологии на молекулярном уровне
Геномные исследования на современном этапе развития
биологической науки являются наиболее перспективными и активно
развивающимися. Понятия «геном» и «ДНК» являются эквивалентными и
выражаются разными терминами лишь при описании их генетических или
физико-химических свойств. Структурная организация генома является
фундаментальным при
знаком, на котором строятся выделение объекта
исследований в таких научных направлениях как: молекулярная биология,
молекулярная генетика, популяционная и эволюционная генетика, биохимия
нуклеиновых кислот, систематики животных и растений и многие другие. На
рисунке 1 представлена структурная классификация последовательностей
генома эукариот.
1.1. Термодинамический аспект структурной организации генома
эукариот. Изохоры. CpG-островки.
Наряду со структурной клас
сификацией частей генома эукариот,
представленной нами на рис.1, в рамках молекулярной биологии и биохимии
среди структурных единиц и подразделений генома выделяют
функциональные кластеры, обусловленные термодинамическими свойствами
нуклеотидных последовательностей. Нуклеотидный состав позволяет ученым
произвести классификацию изучаемых локусов генома, а интегральные
термодинамические параметры этих локусов позволяют выявить возможные
пути и направления изменчивости данных участк
ов генома на уровне
нуклеотидной последовательности молекулы ДНК.
8
ок 1 – Структурная классификация последовательностей генома
Рисун
эукариот.
Рассматривая геном как систему, можно сказать, что
термодинамические характерискики связанные с геномом в целом
предполагают точную количественную оценку содержания и других типов
нуклеотидных остатков. К таким важным термодинамическим
характеристикам генома, по сути определяющим участие молекулы ДНК в
молекулярно-биологических и биохимических процессах, а также
инте
нсивность и направление этих процессов относятся: энтропия, энтальпия,
свободная энергия (энергия Гиббса).
Свободная энергия — это величина, которую можно определить как ту
часть внутренней энергии химической системы, за счет которой может
совершаться работа над окружающей средой и самой системой [Рис с соавт.,
9
2001]. Чтобы выяснить, будет ли данный процесс идти самопроизвольно,
находят изменение свободной энергии (общепринятое ее обозначение ∆G)
между конечным и начальным состояниями рассматриваемой системы (∆G =
G
- G
конеч
). Если ∆G — отрицательная величина, система будет совершать
начал
работу самопроизвольно; если же ∆G > 0, система не будет совершать работу
без дополнительного притока энергии извне. Когда G = 0, система
находится в состоянии термодинамического равновесия.
Применительно к молекулярно-биологической системе, которой и
является геном, это означает, что нуклеотидные последовательности генома
при образовании водородных связей, формировании вторичной структуры и
при уча
стии в прочих молекулярно-биологических процессах и
биохимических реакциях будут стремиться перейти из состояния с большим
значением свободной энергии в состояние с меньшим значением свободной
энергии, как и любая другая система. На основании 1-ого и 2-ого законов
термодинамики существует соотношение, которое точно определяет
изменение свободной энергии (∆G) и отвечает на воп
рос о переходе системы
из одного состояния в другое:
∆G = ∆H - T∆S, (1)
Данное соотношение, указывает на наличие двух составляющих ∆G при
постоянной температуре T (по шкале абсолютных температур Кельвина).
Одна из них — это изменение энтальпии (∆Н), которое можно приравнять к
изменению потенциальной энергии рассматриваемой системы: этот параметр
связан с энергетическим состоянием молекул в данной химической системе.
Другой параметр — изменение энтропии (∆S) — с точностью до множителя T
является мерой энергии, которую нельзя использовать для совершения
полезной работы. Сама энтропия (S) возрастает с увеличением беспорядка в
системе и является мерой ее неупорядоченности. Таким образом, ∆S —
величина положительная, если система становится менее упорядоченной
[Левич, 2001].
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]