Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Естественный отбор в молекулярной эволюции: геномный подход с использованием метода наибольшей экономии

ВАК РФ 03.00.00, Биологические науки

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Базыкин, Георгий Александрович, Принстон (США)

Президиум ВАК. Квикобрнауки России

(решение от «Р4» 2Ро/г,

решил выдать диплом КАНДИДАТА

____________I\мЖ1\____наук

Начальник отдела

62 11/79

Естественный отбор в молекулярной эволюции:

геномный подход с использованием метода наибольшей экономии

Георгий Александрович Базыкин

Диссертация, представленная

профессорскому составу

Принстонского университета на соискание степени доктора философии

Рекомендована к принятию Факультетом экологии и эволюционной биологии

Июнь 2007

© Георгий Александрович Базыкин, 2007. Все права защищены

Резюме

Анализ и сравнение геномных последовательностей открывает подход к фундаментальным проблемам эволюционной биологии, приписывая эволюционным процессам количественные параметры, о значениях которых ранее можно было только догадываться. Выявление относительной роли естественного отбора и нейтральных процессов в эволюции - возможно, важнейшая из этих проблем -является целью данной работы.

В главах 2 и 3 предлагается подход к выявлению положительного отбора, основанный на временной неравномерности скоростей нукпеотидных замещений. Анализ быстро эволюционирующих аминокислотных сайтов в кодирующих последовательностях млекопитающих (Глава 2) позволил продемонстрировать роль положительного отбора в изменяющихся адаптивных ландшафтах. Для сложных филогений четырех генов ВИЧ-1 (Глава 3) показано, что положительный отбор играет важную роль в консервативных аминокислотных сайтах.

Задача выявления роли отбора эквивалентна выяснению распределения коэффициентов отбора, связанных с принятыми мутациями. Информация об этом распределении может быть получена на основе анализа скорости параллельной эволюции. В Главе 4 я использую сравнение кодирующих последовательностей из нескольких групп видов для выяснения среднего коэффициента отбора, связанного с принятой мутацией, а также максимальной доли нейтральных сайтов среди сайтов, способных эволюционировать.

Одним из предсказаний нейтральной теории молекулярной эволюции является то, что конкретные аминокислоты, встречающиеся в некоторых позициях, не влияют на приспособленность белка, и их состав может изменяться за счет иных сил. В частности, при сильном непрерывном положительном отборе на этот состав может влиять структура генетического кода. Как показано в Главе 5, паттерны

эволюции некоторых вирусных белков соответствуют этому предсказанию, что, возможно, свидетельствует о роли структуры генетического кода в определении состава аминокислотной последовательности.

Большая доля геномных последовательностей, не кодирующих белки, также подвержена естественному отбору благодаря своему функциональному значению. Анализ распределения селективных ограничений в цис-регуляторных областях дрожжей (Глава 6) выявил сложное распределение консервативности и функциональной значимости. Функциональные последовательности ТАТА-боксов эволюционируют между близкородственными последовательностями с существенной скоростью (Глава 7), хотя адаптивное значение этой эволюции остается неясным.

Благодарности

Работать с большими учеными - большое удовальствие. Я благодарен своим соруководителям, Саймону Левину и Алексею Кондрашову, в течение пяти лет руководивших моей аспирантурой. Алексей Симонович был моим неформальным руководителем со времени лекций по теории эволюции, прочитанных им в Московском государственном университете в мои студенческие годы в 1990-х. Я особенно признателен ему за создание модели того, каким должен быть процесс научного исследования.

Для стороннего наблюдателя лаборатория Саймона выглядит аттрактором для ярких ученых со всего мира. При ближайшем рассмотрении большая часть этих ярких ученых оказывается нынешними или бывшими аспирантами, постдоками или, на худой конец, соавторами Саймона. Поэтому для того, чтобы получить широкий диапазон ценных и разносторонних мнений о своей работе, редко приходится покидать тупичок на втором этаже Ино Хола в Принстоне. Я признателен всем нынешним и бывшим сотрудникам лаборатории Саймона и факультета Экологии и эволюционной биологии в целом, создававшим его неповторимую атмосферу. Особенно я благодарен тем, кто обсуждал со мной мою работу на ее разных стадиях и делал критические замечания, в том числе Алекса Баррона, Мариссу Баскетт, Кэти Хэмпсон, Джереми Лихстейна, Ади Ливната, Дункана Менге, Уилфреда Ндифона, Джулиет Пуллиам и Бена Страуса. Я хотел бы отдельно поблагодарить Джонатана Душова, который внес больший вклад как в мои проекты, так и в атмосферу Ино Хола, чем кто-либо еще. Я благодарю свой комитет, включая Лору Лэрдвебер и Дэвида Стерна, за их многочисленные советы и руководство.

За пределами факультета, я признателен всем тем, кто, не жалея своего времени, обучал меня и обсуждал со мной мою работу. Неполный список этих людей включает Майкла Десаи, Дмитрия Кнорре, Федора Кондрашова, Сергея Кряжимского, Джошуа Плоткина, Константина Попадьина, Василия Птушенко и Шамиля Сюняева. Я особенно признателен Михаилу Гельфанду за предоставленную мне возможность работать в Москве над проектом по регуляторным системам дрожжей, и за его поддержку и руководство в этой части моей работы.

За искреннюю заинтересованность, вовлеченность и всю неизмеримую поддержку, я благодарен моей маме, семье моей жены и, в первую очередь, моей жене Наде. Кроме того, я отдельно благодарю двух своих дочерей, Сашу и Соню, за то, что они были для меня сильнейшим стимулом не длить аспирантские годы сверх меры.

Большая часть работы в этой диссертации была осуществлена в соавторстве. Глава 2 была написана совместно с Федором Кондрашовым, Алексеем Огурцовым, Шамилем Сюняевым и Алексеем Кондрашовым и опубликована в Nature. Глава 3 была написана с Джонатаном Душовым, Саймоном Левиным и Алексеем Кондрашовым и опубликована в The Proceedings of the National Academy of Sciences USA. Глава 4 была написана с Федором Кондрашовым, Михаилов Брудно, Александром Поляковым, Инной Дубчак и Алексеем Кондрашовым и опубликована в Biology Direct. Глава 5 - совместная работа с Сергеем Кряжимским и Джонатаном Душовом. Глава 6 была написана с Галиной Ковалевой, Михаилом Брудно и Михаилом Гельфандом и опубликована в Journal of Bioinformatics and Computational Biology. Глава 7 была написана с Алексеем Кондрашовым и опубликована в ВМС Evolutionary Biology.

Содержание

Резюме......................................................................................................................................ш

Благодарности.........................................................................................................................V

1. Введение...............................................................................................................................1

2. Выявление положительного отбора в сайтах множественных аминокислотных замен на основе простых филогений..............................................6

Результаты и обсуждение...................................................................................................6

Методы...................................................................................................................................9

Литература..........................................................................................................................10

Таблицы и рисунки.............................................................................................................12

Приложение.........................................................................................................................18

3. «Пулеметные очереди» аминокислотных замен в больших вирусных филогениях............................................................................................................................20

Введение..............................................................................................................................20

Результаты..........................................................................................................................22

Обсуждение.........................................................................................................................24

Методы.................................................................................................................................26

Таблицы и рисунки.............................................................................................................29

Приложение.........................................................................................................................36

Литература..........................................................................................................................56

4. Параллельная эволюция: различение положительного и отрицательного отбора......................................................................................................................................58

Введение..............................................................................................................................58

Результаты..........................................................................................................................59

Обсуждение.........................................................................................................................60

Методы.................................................................................................................................63

Таблицы и рисунки.............................................................................................................66

Литература..........................................................................................................................73

5. Зависимость неравномерности в кодонном и аминокислотном составах от

режима отбора.......................................................................................................................76

Введение..............................................................................................................................76

Результаты..........................................................................................................................78

Обсуждение.........................................................................................................................79

Выводы.................................................................................................................................80

Методы.................................................................................................................................81

Таблицы и рисунки.............................................................................................................83

Литература..........................................................................................................................86

6. Паттерны эволюционной консервативности регуляторных участков.............88

Введение..............................................................................................................................88

Результаты и обсуждение.................................................................................................88

Заключение.........................................................................................................................90

Методы.................................................................................................................................90

Таблицы и рисунки.............................................................................................................91

Литература..........................................................................................................................93

7. Скорость существенных регуляторных изменений в эволюции.......................94

Введение..............................................................................................................................94

Результаты..........................................................................................................................95

Обсуждение.........................................................................................................................97

Заключение.........................................................................................................................99

Методы.................................................................................................................................99

Таблицы и рисунки...........................................................................................................101

Литература........................................................................................................................108

1. Введение

Виды живых организмов отличаются друг от друга. Более того, особи одного и того же вида отличаются друг от друга. Проблемы возникновения и сохранения различий между видами и в пределах видов являются важнейшими в эволюционной биологии; первая проблема была названа «тайной тайн» Чарльзом Дарвином, вторая - «Великой задачей популяционной генетики» Джоном Гиллеспи. Несмотря на полуторавековые усилия, ни тот, ни другой вопрос не был полностью разрешен. Последняя смена парадигмы была связана с возникновением в конце 1960-х годов нейтральной теории; спор об относительной важности естественного отбора и генетико-автоматических (нейтральных) процессов в создании и поддержании изменчивости и дивергенции не утих до сих пор. Даже приток огромного количества геномных данных пока на выявил окончательного победителя в споре «нейтрализм-селекционизм». Мы не можем приписать происхождение большинства признаков отбору. Более того, у нас нет даже достоверной оценки роли естественного отбора на уровне полных геномов: недавний обзор статей в ведущих журналах выявил диапазон оценок доли аминокисотных замен, связанных с адаптивной эволюцией, от 0% до 94%.

Большая часть этой работы посвящена разработке новых подходов к различению роли положительного (направленного), отрицательного (стабилизирующего) отбора и нейтральных процессов в молекулярной эволюции. Работа затрагивает широкий диапазон эволюционных времен (от нескольких десятилетий для вирусов до миллионов лет для дивергенции классов млекопитающих), молекулярных эволюционирующих систем (аминокислоты белков, синонимичные нуклеотиды кодирующих областей и регуляторные области ДНК) и подходов. Главы диссертации объединяет использование больших объемов геномных данных. Кроме того, фундаментальным объединяющим принципом является использование сравнительного подхода и, особенно, - метода наибольшей экономии.

Биологическую эволюцию редко можно наблюдать непосредственно. Поэтому исследование эволюции неизбежно требует восстановления событий, происходивших в прошлом, по следам, оставленным этими событиями в настоящем. Наблюдая различие в морфологическом или молекулярном признаке между двумя видами, мы делаем вывод, что в некоторый момент времени после дивергенции этих двух видов от их последнего общего предка по крайней мере в одном из этих видов произошло по крайней мере одно изменение данного признака. Сравнительный метод был существенен для нашего понимания эволюции задолго до геномной эры, но стал еще более важным с тех пор, как количество данных, доступных для сравнительного анализа, выросло на многие порядки в результате проектов сиквенирования полных геномов.

Сравнительный метод имеет наибольшую мощность на промежуточных эволюционных расстояниях, достаточных, чтобы между видами произошло достаточнорй количество эволюционных событий. Однако фундаментальным ограничением этого подхода является то, что, сравнивая эволюционно далекие виды, мы можем выявить только «среднее» их эволюционных историй с момента их дивергенции. В действительности же в разные периоды времени виды могли быть подверженными разным селективным режимам. В частности, эпизоды дарвиновской адаптивной эволюции (положительного отбора), изменяющие преобладающий вариант признака, скорее всего, перемежаются с эпизодами стабилизирующего (отрицательного) отбора, сохраняющего новый предпочтительный вариант. Положительный отбор ускоряет эволюцию по сравнению с нейтральным стандартом,

а отрицательный - замедляет ее, осложняя поиск сигнала положительного отбора. Мощность сравнительного подхода, таким образом, ограничена разрешением, с которым мы можем проследить эволюционную судьбу признаков. Количество молекулярных сиквенсов, достаточное для выявления временной изменчивости давления отбора на уровне полных геномов, начало появляться лишь недавно. За редкими исключениями, эти данные до сих пор не были использованы для выявления изменения действия отбора во времени.

Главы 2 и 3 вводят новый подход к анализу естественного отбора, изменяющегося между эволюционными линиями. Он основан на измерении отклонений от независимости в распределении эволюционных изменений во времени. Временнбе кластрирование эволюционных событий невозможно при нейтральной эволюции и свидетельствует об эпизоде адаптивной эволюции путем естественного отбора. Положительный отбор происходит из-за изменения адаптивного ландшафта. При постоянной скорости мутирования нейтральная эволюция идет с более или менее постоянной скоростью; напротив, скорость изменения адаптивного ландшафта не обязана, вообще говоря, быть постоянной. Более того, даже единичное изменение адаптивного ландшафта может приводить к «пулеметной очереди» эволюционных событий, если старый и новый оптимальные варианты отделены друг от друга более чем одним мутационным шагом. Благодаря структуре генетического кода, множественные мутационные шаги могут потребоваться даже при эволюции отдельного кодона. В самом деле, большая доля аминокислотных замен требует двух или трех нуклеотидных замен. Такие аминокислотные замены требуют, таким образом, прохождения двух- или трехмерного адаптивного ландшафта индивидуального кодона; если отбор достаточно эффективен, то каждый адаптивный шаг (т.е. шаг, находящийся под положительным отбором и ведущий вверх на адаптивном ландшафте) будет быстро следовать за предыдущим таким шагом. Контраст между ожидаемой временной равномерностью нейтральных замен и аггрегированностью замен, находящихся под отбором, позволяет нам засечь положительный отбор в периоды временного увеличения скорости эволюции.

В главе 2 я использую последовательности полных геномов для оценки роли отбора в эволюции двух видов грызунов - мыши и крысы. Я описываю ведущую роль отбора в аминокислотах, которые претерпели множественные замены с момента дивергенции этих двух видов от их общего предка. Далее, я описываю отклонение от независимости в заменах, происходящих между разными аминокислотными сайтами в пределах одного белка. Поскольку такой анализ ограничен аминокислотными позициями с множественными заменами между видами, имеющиеся данные не позволили ответить на вопрос об относительной роли по�