Молекулярная и фенотипическая дивергенция приматов

Тетушкин, Евгений Яковлевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Молекулярная и фенотипическая дивергенция приматов
ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Молекулярная и фенотипическая дивергенция приматов"

□034Б1230

На правах рукописи

Тетушкин Евгений Яковлевич

МОЛЕКУЛЯРНАЯ И ФЕНОТИПИЧЕСКАЯ ДИВЕРГЕНЦИЯ ПРИМАТОВ

Специальность 03.00.15 — «Генетика»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

* О ГЛ'. -1

I Щи . V Москва —2009

003461230

Работа выполнена в лаборатории популяционной генетики Учреждения Российской академии наук Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: академик РАН,

доктор биологических наук, профессор

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ:

член-корреспондент РАН,

доктор биологических наук, профессор

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор биологических наук, профессор доктор биологических наук

Алтухов Юрий Петрович

Захаров-Гезехус Илья Артемьевич

Агаджанян Александр Карэнович Жукова Ольга Владимировна

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Учреждение Российской академии наук Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН

Защита состоится «cj У» 2009 г. в /3 часов на заседании

Диссертационного совета Д 002.214.01 при Учреждении Российской академии наук Институте общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН по адресу: 119991, Москва, ул. Губкина, д. 3. Факс: (095) 132-89-62.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН по адресу: 119991, Москва, ул. Губкина, д. 3.

Автореферат разослан «¿3 » января 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного-совета,

кандидат биологических наук С jL^^X^^J'A- Синелыцикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Диссертация посвящена феноменологическим аспектам проблемы связи между молекулярно-генетической и фенотипической эволюционной изменчивостью — главной и до сих пор далекой от решения проблемы эволюционной генетики. Она была сформулирована Цукеркандлом и Полингом в середине 1960-х гг. в виде двух альтернативных гипотез. Согласно первой, получившей название гипотезы молекулярных часов, скорость накопления мутационных замен приблизительно постоянна и не зависит от темпов фенотипической эволюции. Согласно второй, темпы эволюции информационных молекул изменяются с изменением темпов фенотипической эволюции. В настоящее время одни авторы, следуя Кимуре, считают, что молекулярная и фенотипическая эволюция отличаются по темпам и по форме: первая протекает с постоянной скоростью и консервативна, а вторая неравномерна и адаптивна. Другие рассматривают молекулярную эволюцию как часть организменной эволюции и говорят о «коэволюции молекул и морфологии».

Приматы были выбраны в качестве объекта этого исследования ввиду, во-первых, их хорошей изученности на всех уровнях организации, во-вторых, их большого фенотипического разнообразия, в-третьих, в связи с тем, что их молекулярная систематика в ряде существенных деталей отличается от традиционной и, в-четвертых, потому, что они включают человека, изучение которого с помощью сравнительных методов представляет особый интерес.

образом, тема этого исследования, сформулированная ещё в «догеномную эру», оказалась в русле новейших тенденций развития эволюционной биологии.

Цель и задачи. Цель настоящей работы — сопоставить темпы дивергенции приматов на молекулярном и организменном уровнях организации. Для её достижения были поставлены три основные задачи:

1) провести электрофоретическое изучение белков некоторых обезьян, рассчитать, на основе собственных и литературных данных, соответствующие генетические расстояния и проанализировать, в свете полученных результатов, феномен "парадоксального" сходства белковых маркеров генов гоминоидов;

2) проанализировать зависимости между генетическими и морфологическими расстояниями с применением корреляционного и кластерного анализа;

3) вычислить и сопоставить величины изменений генетических молекул и количественных морфометрических признаков на разных этапах филогенеза человека и других приматов.

Научная новизна. Было впервые показано, что генетические расстояния по электрофоретическим маркерам генов между таксонами приматов в среднем существенно меньше, чем между столь же отдаленными, в систематическом отношении, таксонами неприматов. Также впервые было установлено, что средние генетические расстояния между относительно близкими родами узконосых прямо пропорциональны средним морфологическим расстояниям и что значения корреляций между расстояниями этих двух типов зависят от глубины дивергенции таксонов: чем меньше дивергенция — тем сильнее корреляция. Впервые, с помощью линейного программирования, были вычислены и сопоставлены длины ребер филогенетических деревьев, отражающих соответственные эволюционные изменения по молекулярным и морфологическим признакам приматов. На основе этого сравнения сделан ряд важных выводов относительно темпов молекулярной и фенотипической

эволюции на разных этапах филогенеза и в разных филогенетических линиях отряда приматов.

Научная и практическая значимость. Интегрирующей идеей, объединяющей материалы этой диссертации, служит концепция мозаичной эволюции. Квазинезависимая дивергенция на молекулярном уровне, с одной стороны, и организменном — с другой, составляющая предмет данного исследования, была названа нами «межуровневой мозаичностью». В диссертации проанализированы закономерности такой мозаичности в ходе эволюции приматов. Выявленные феноменологические зависимости между дивергенцией на двух уровнях организации получат всеобъемлющее объяснение только тогда, когда будут выяснены причинные связи между геномами и феномами. С другой стороны, изучение подобных зависимостей, в частности предпринятое в этой работе, помогает установлению таких связей. Происходящий сейчас переход к «широкогеномным» и феномным сравнениям таксонов открывает новые перспективы в этой области исследований.

Три статьи по теме этой диссертации включены в список литературы, рекомендованной студентам Факультета естественных наук Новосибирского государственного университета для использования при подготовке рефератов (http://fen.nsu.ru/program/bioprog0306.doc").

Апробация. Предзащита диссертации проходила 20 октября 2008 г. на заседании семинара «Популяционная и эволюционная генетика» Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН. Основные результаты работы были представлены в виде устных докладов на IV Всесоюзном симпозиуме «Молекулярные механизмы генетических процессов» (Москва, 1979); 1 Всесоюзной конференции по проблемам эволюции (Москва, 1984); International Symposium «Towards a new synthesis in evolutionary biology» (Praha, 1987); 4-м Всесоюзном симпозиуме «Генетические маркеры в антропогенетике и медицине» (Хмельницкий, 1988); International Symposium «Evolutionary Biology: Theory and Practice» (Plzen, 1988); совместном семинаре Европейской

антропологической ассоциации и МО ВОГиС «Антропология и молекулярная генетика: союз или противостояние?» (Москва, 2001). Кроме того, материалы этого исследования были представлены в виде стендовых докладов на целом ряде научных форумов (см. список публикаций). Часть результатов докладывалась на общеинститутских научных семинарах Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН (АН СССР).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ (без соавторов), в том числе 13 статей в журналах из списка ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа (без приложений), изложенная на 343 страницах, состоит из введения, семи глав, заключения, выводов и списка литературы. Текст без списка литературы занимает 268 страниц. В нем содержится 15 таблиц и 30 рисунков. В списке литературы — 844 ссылки, из которых 146 на русском языке и 698 — на иностранных. 3 приложения на 25 страницах включают 5 таблиц и 14 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Глава 1 — Темпы эволюции молекул и организмов — обзорная; в ней освещаются истоки изучаемой проблемы, которая возникла в русле гипотезы молекулярных часов. В первой половине главы излагаются основные положения этой гипотезы, а во второй — история и современное состояние самой проблемы взаимосвязи между молекулярной и фенотипической эволюцией.

В главе 2 — Темпы молекулярной эволюции приматов —

предпринята попытка разрешения дилеммы, возникшей при изучении скоростей молекулярной эволюции приматов. Одни находят её приблизительно постоянной, другие доказывают, что при возникновении этого отряда произошло ускорение молекулярной эволюции, которое на поздних этапах филогенеза сменилось замедлением; по их мнению, такое замедление особенно

выражено в линиях гоминоидов. Выбор одной из альтернатив представлял большую трудность, поскольку полемизирующие стороны, как правило, не отвечают на аргументы своих оппонентов. Автор проанализировал динамику изменений аминокислотных и нуклеотидных последовательностей, сопоставил молекулярные датировки с палеонтологическими и пришел к выводу о реальности отмеченных неравномерностей молекулярной эволюции.

В главе 3 — Генетические расстояния по белковым маркёрам — дается трактовка феномена «парадоксально» большого сходства гоминоидов, сформулированного в 1970-х гг. (King, Wilson, 1975; и др.). Утверждалось, что генетическое расстояние по электрофоретическим белковым маркерам между человеком и шимпанзе, которых относят к разным семействам, соответствует генетическим расстояниям между видами-двойниками. Однако в этом сравнении использовались данные о различиях между таксонами неприматов. Факт парадоксального сходства гоминоидов может получить другое освещение, если вспомнить, что высшие приматы обладают гемохориальной плацентой, легко проницаемой для антител. Такая ситуация, возможно, приводит к интенсивному иммунологическому отбору против вариантных электроморф. Тогда генетические расстояния между таксонами приматов должны отражать их иерархию. Мы оценили стандартное генетическое расстояние Нея (D) между зелеными мартышками (Cercopithecus aethiops L.) и макаками-резусами (Macaca mulatto Z.), представляющими разные роды подсемейства мартышковых, и сопоставили его с генетическими расстояниями между гоминоидами. Пробы крови и образцы мышц зеленых мартышек кенийского и макаков-резусов индийского происхождения отбирали в Экспериментальной клинике Института полиомиелита и вирусных энцефалитов. От 371 мартышки взято 363 пробы крови и 73 образца скелетных мышц. 34 макаки изучали по 30 пробам крови и 4 образцам мышц. Были изучены маркеры 10 локусов. Имеющиеся материалы, включая взятые из литературы, позволили провести сравнение макак и мартышек по 26 локусам.

Приматы

а)расычело6ека

б)популти I) Шы

г) сетс/пба

Неприматы

д) популяции

е) подкды

ж) полу Виды

з) Ш-дбоиники

и)Ыы

(Л)

1М)

II II

и»

Рис. 1. Генетические расстояния по частотам белковых маркеров генов между таксонами приматов и неприматов: а — между большими расами человека по 35 локусам; б — между конспецифическими популяциями японских макаков, макаков резус, макаков крабоедов по 29 локусам, а также павианов-гамадрилов и анубисов по 35 локусам; в — между семью видами рода макаков и двумя видами рода павианов по 35 локусам; г — между семействами гоминидов, представленных современными людьми, понгид, представленных обыкновенными шимпанзе, карликовыми шимпанзе, гориллами и орангутанами, и хилобатид, представленных белорукими гиббонами, одноцветными гиббонами и сиамангами по 23, а в случае шимпанзе по 43 локусам; д-и — между популяциями, подвидами, полувидами, видами-двойниками млекопитающих (грызунов, рукокрылых), рептилий, амфибий, рыб, насекомых (дрозофил) и мечехвостов; к — между родами в пределах семейств рыб и грызунов; л — между макаками и мартышками по 16 локусам; м — между людьми и шимпанзе по тем же 16 локусам. (Ссылки на источники данных в работах: Тётушкин, 1981, 1983.)

Генетическое расстояние между макаками и мартышками по 26 локусам оказалось равно 0,35, что почти вдвое меньше генетического расстояния между человеком и шимпанзе по 44 локусам, равного 0,62. Ввиду значительных различий в темпах эволюции разных белков корректнее сравнивать значения Б, полученные для одинаковых наборов маркеров. В данном случае такие идентичные наборы включают белки, кодируемые 16 локусами. По этим локусам расстояние макак-мартышка равно 0,342±0,012, а человек-шимпанзе — 0,805±0,002. Таким образом, генетическое расстояние между семействами гоминоидов не меньше такового для родов обезьян, объединяемых в рамках

подсемейств, и заметно больше генетических расстояний между близкородственными видами приматов (рис.1).

В нашей работе использовались результаты сравнения видов приматов по совокупности белков сыворотки крови, полученные Гудмэном с помощью двойной иммунодиффузии в агаре. Поэтому было интересно и важно сопоставить различия по этим белкам (антигенные расстояния) с аминокислотными расстояниями по секвенированным последовательностям (глобинов, фибринопептидов, цитохрома с, а-кристаллинов, карбоангидраз). Если скорости молекулярной эволюции постоянны, соответственные приведенные расстояния (т.е. отнесенные к расстояниям между определенной парой таксонов) по этим двум наборам белков должны быть равны друг другу. Такая «сверка часов» свидетельствует о приблизительном равенстве соответственных расстояний. Исключение составила пара человек-шимпанзе. В этом случае иммунологическое расстояние по белкам сыворотки значительно превышает аминокислотное расстояние по секвенированным, в основном внутриклеточным, белкам, что указывает на относительное замедление темпов эволюции последних.

В главе 4 — Дивергенция морфофеномов — представлены результаты кластеризации таксонов по морфологическим фенотипам. При вычислении евклидовых расстояний использовались данные А. Шульца о 22 пропорциях тела видов, представляющих 34 рода приматов. Группировки, полученные с помощью методов минимального локального расстояния и медианы, свидетельствуют, что таксономическое значение пропорций тела приматов, как правило, невелико. Дендрограммы по разным наборам признаков отражают не столько генетическую, сколько функциональную классификацию приматов. Виды неродственных родов, имеющие сходные размеры и тип локомоции, конвергируют по форме тела. В то же время филогенетически родственные виды, отличающиеся друг от друга по размеру и/или типу локомоции, попадают в разные кластеры.

В главе 5 — Генетическая и фенотипическая дивергенция —

подведены итоги сравнительного изучения молекулярных и морфологических изменений в ходе филогенеза приматов. Как показало прямое сопоставление, фенотипические (по общим пропорциям тела) расстояния между наиболее близкими родами, принадлежащими к одним и тем же подсемействам, прямо пропорциональны соответствующим генетическим (антигенным) расстояниям. Этот вывод согласуется с результатами более широкого сравнения с использованием данных о 28 родах высших и низших приматов. В табл. 1 приведены коэффициенты корреляции между расстояниями двух указанных типов. Наибольшие их значения получены в случае узконосых приматов, филогенетические линии которых разошлись сравнительно недавно. Это веский аргумент в пользу закона Стеббинса ^еЬЫпя, 1983), из которого следует, что корреляции между молекулярными и фенотипическими расстояниями должны находиться в обратной зависимости от времен дивергенции.

Табл. 1

КОЭФФИЦИЕНТЫ КОРРЕЛЯЦИИ МЕЖДУ ГЕНЕТИЧЕСКИМИ И МОРФОЛОГИЧЕСКИМИ РАССТОЯНИЯМИ

Пропорции Приматы в Высшие Узконосые Широконосые

целом приматы приматы приматы

головы, туловища, 0,514 0,181 0,712 0,219

конечностей

головы и туловища 0,512 0,094 0,572 0,536

верхних конечностей 0,051 0,263 0,768 0,133

нижних конечностей 0,308 0,240 0,711 0,478

Прямое измерение скоростей молекулярной и фенотипической эволюции невозможно, поскольку мы не располагаем соответствующими данными о предковых формах. Однако можно, руководствуясь принципом наибольшей экономии, спроецировать матрицы генетических и морфологических

расстояний на филогенетическое древо отряда, что осуществимо с помощью методов оптимизации, например линейного программирования.

4,5/

1,3 2.6/

2,5

1,2 оИ

7,5/\(, 0,9. О

о а;

',5 1,2/

5,5

.0,3

\1,7

5,3

со о

0,7 -2,5

<1,9/

а. 2

0.8 N¿5

<2,3

0,6'

\о,б

аз

ее £

ад

\1,(

5,9\

5,3 >

46,5>

о: 5

§ §

3 00

§ з

ш р

Рис. 2. Филогенетическое древо отряда приматов, построенное с учетом результатов сравнительного изучения различных белков и ДНК. Длины ребер, рассчитанные из матриц расстояний, даны в % от общей длины дерева: числа вверху отражают морфологические изменения, числа внизу — соответствующие изменения белков сыворотки крови. Русские названия родов (слева направо): люди, шимпанзе, гориллы, орангутаны, гиббоны, макаки, павианы, мангобеи, мартышки-гусары, колобусы, лангуры, коаты, дурукули, саймири, долгопяты, толстые лори, галаго, мышиные лемуры, об. лемуры, об. тупайи.

В настоящей работе с помощью линейного программирования для каждой из матриц были определены длины ребер дерева с заданной топологией при условии, что общая его длина минимальна, а сумма длин ветвей, соединяющих любую пару таксонов, не меньше соответствующего расстояния, приведенного в матрице (рис. 2). Длины ребер, вычисленные по генетическим и морфологическим расстояниям, в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга. На фоне равномерных, в грубом приближении,

скоростей молекулярной эволюции выявляются сильные неравномерности темпов фенотипической эволюции. Например, видно, что предшественники гоминид проделали, по морфологическим признакам, гораздо более длинный путь от общего предка современных приматов, чем большинство обезьян и полуобезьян. Ускорение морфологической эволюции в линии человека, по-видимому, происходило дважды: после её ответвления от мартышкообразных и после разделения предков гоминид и африканских понгид. Интересно, что путь шимпанзе от общего с людьми предка в пять раз короче, чем у людей. Этот факт можно считать аргументом в поддержку гипотезы шимпанзоидного предка человека, которая иногда подвергается критике. Нулевая длина ребра между вершинами, от которых отходят линии шимпанзе и гориллы, свидетельствует в пользу предположения о продолжительной гибридизации между протошимпанзе и протогориллами, которое согласуется также с некоторыми цитогенетическими данными. Относительное замедление фенотипической эволюции у непосредственных предшественников долгопятов подтверждает гипотезу тарзиоидного предка высших приматов. Анализ данных сравнительной генетики приводит к выделению тех же основных монофилетических групп приматов, что и анализ фенотипических признаков. Однако традиционное подразделение приматов на низших и высших (Рго5т1 и АпЛгор^сЬа) нуждается в коррективах. Рп^гш, как известно, объединяют лемуроморфных, лориморфных и тарзиморфных. В соответствии с принципами филогенетической систематики тарзиморфных правильнее объединять, вслед за некоторыми морфологами, с «высшими приматами» в подотряд гаплориновых (Нар1огЫш), а лемуроморфных и лориморфных — в подотряд стрепсириновых (вйервгсЫт).

Глава 6 — Генетический полиморфизм и эволюция обезьян —

проливает свет на обстоятельства, в которых протекала дивергенция узконосых приматов. Мы вычислили значения гетерозиготностей популяций разных видов мартышковых обезьян по локусу трансферрина (Т^, адекватно отражающих

общую изменчивость по молекулярным маркерам. Убедительно показано, что азиатские обезьяны намного гетерозиготнее африканских. Все исключения можно объяснить гомозиготизацией островных популяций макаков и межвидовой гибридизацией популяций павианов-гамадрилов и павианов-анубисов. Были вычислены также средние гетерозиготности макаков-резусов и зеленых мартышек по 26 локусам, данные о полиморфизме части которых получены в настоящей работе. Разнообразие первых оказалось вдвое выше, чем вторых (0,083±0,026 и 0,041±0,019). При исключении маннозофосфатизомеразы и преальбумина гетерозиготность макаков по остальным 24 локусам в ~ 9 раз превышает гетерозиготность мартышек (0,079±0,026 против 0,009±0,019). Нами обосновано предположение об азиатском происхождении некоторых африканских обезьян; предки последних, возможно, утратили часть своей генетической изменчивости вследствие эффекта горлышка бутылки.

Глава 7 —Дифференциация человечества — посвящена рассмотрению микроэволюционных аспектов темы диссертации на примере внутривидовой дифференциации человечества. В ней сопоставляется топология дендрограмм, отражающих дивергенцию человеческих популяций по фенотипическим и молекулярным признакам. На основе литературных данных были вычислены евклидовы расстояния по пропорциям тела между 27 этнотерриториальными группами; кластеризация проводилась методами медианы и минимального локального расстояния. И на полученных деревьях и на известных дендрограммах по генетическим расстояниям выделение негроидного ствола предшествовало расхождению европеоидов и монголоидов, что противоречит гипотезе о первоначальном разделении человечества на евро-африканскую и азиатско-океанийскую группы популяций. Таким образом, фенотипическая дивергенция крупных внутривидовых подразделений — больших рас — соответствует их генетической дивергенции. Следует подчеркнуть, что пропорции тела и генетические маркеры не входят в число расоводиагностических признаков. Проведенный анализ показывает, что

фенотипические различия на внутривидовом уровне определяются экологическими адаптациями и генетическим дрейфом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Непрерывно изменяющаяся ситуация в эволюционной генетике заставляет переосмыслить цель этой работы. Тема нашего исследования, сформулированная в «догеномную эру», приобрела теперь особую актуальность. Хотя используемые нами молекулярные данные, основанные большей частью на сравнениях белков, не столь информативны, как те, что основаны на сравнениях современных геномных маркеров, на сегодня именно эти данные наиболее полно характеризуют генетическое разнообразие большинства таксонов. Разумеется, столь широко очерченная цель исследования не могла быть достигнута в рамках одной работы. Выявленные нами феноменологические зависимости между дивергенцией на двух уровнях организации получат удовлетворительное объяснение тогда, когда будут выяснены каузальные связи между геномами и феномами. Изучение подобных зависимостей у разных групп организмов способствует установлению таких связей.

При выполнении первой из поставленных задач было показано, что генетические расстояния по электрофоретическим маркерам генов между таксонами приматов в среднем существенно меньше, чем между столь же отдаленными, в систематическом отношении, таксонами неприматов. Они соответствуют иерархии этих таксонов. При выполнении второй задачи было показано, что корреляционные связи между генетическими и морфологическими расстояниями тем теснее, чем меньше глубина дивергенции таксонов. Это согласуется с законом Стеббинса (см. выше). Таким образом, в нашей работе получено первое, и пока единственное, подтверждение справедливости этого закона. В ходе решения третьей задачи был сделан ряд

важных выводов относительно темпов молекулярной и фенотипической эволюции на разных этапах филогенеза и в разных филогенетических линиях отряда приматов. Выявлены значительные различия в динамике эволюционных изменений на молекулярном и организменном уровнях организации. Помимо задач, первоначально поставленных в плане исследования, получены ответы и на некоторые другие вопросы.

Недавно один из основоположников молекулярной эволюционной генетики Ней сформулировал «новую мутационную теорию фенотипической эволюции». Он пытается возродить, основываясь на достижениях последнего времени, мутационизм Моргана. Однако если бы мутации были главной движущей силой фенотипической эволюции, существовал бы тесный параллелизм между дивергенцией на молекулярном и организменном уровнях, поскольку оба этих процесса определялись бы случайными событиями. В нашей работе такой параллелизм не обнаружен.

ВЫВОДЫ

1. Молекулярные часы на ранних этапах филогенеза приматов «спешат», а на поздних, особенно у гоминоидов, — «отстают». Скорость накопления мутаций определяется рядом взаимодействующих факторов, важнейшим из которых является длина поколения.

2. Таксоны высших приматов разного ранга — от видов одного рода до близких семейств — по электрофоретическим маркерам генов сходны на уровне популяций, подвидов и близкородственных видов неприматов. Генетические расстояния между этими таксонами, включая гоминоидов, соответствуют их иерархии.

3. В филогенезе приматов иммунологические часы на основе белков сыворотки крови, как правило, идут синхронно с часами, основанными на аминокислотных последовательностях секвенированных, в основном

внутриклеточных, белков. В линии гоминид вторые часы «отстают» от первых.

4. Таксономическое значение пропорций тела приматов невелико. Различия по ним отражают как общие генетические различия, так и, в большей степени, различия по размерам тела и типам локомоции.

5. Генетические расстояния между относительно близкими родами, принадлежащими к одним и тем же подсемействам узконосых приматов, пропорциональны различиям в их морфологии. Значения корреляций между генетическими и морфологическими расстояниями находятся в обратной зависимости от глубины дивергенции сравниваемых таксонов.

6. Существуют значительные диспропорции в длинах ребер минимальных по общей длине деревьев, построенных по генетическим расстояниям, с одной стороны, и фенотипическим — с другой. Сопоставление ребер этих деревьев подтверждает гипотезу шимпанзоидного предка гоминид и свидетельствует в пользу гипотезы тарзиморфного предка высших приматов.

7. Традиционная систематика приматов в общих чертах, за некоторыми исключениями, согласуется с их молекулярной филогенетикой.

8. Средняя генетическая изменчивость африканских обезьян, в частности, по высокополиморфному локусу значительно ниже средней генетической изменчивости азиатских обезьян, что согласуется с гипотезой азиатского происхождения некоторых африканских обезьян.

9. Характер дивергенции больших рас человека по пропорциям тела, не являющимся расоводиагностическими признаками, сходен с характером их дифференциации по молекулярным маркерам: выделение негроидного ствола в обоих случаях предшествует расхождению европеоидов и монголоидов. Гипотеза о первоначальном разделении человечества на евро-африканскую и азиатско-океанийскую группы популяций не находит подтверждения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

¡.Тётушкин Е.Я. О некоторых особенностях молекулярной эволюции высших приматов //Докл. АН СССР. - 1979. - Т. 244, № 6. - С. 1484-1488.

2. Тётушкин Е.Я. Темпы эволюции белков и генетический полиморфизм белков приматов // IV Всесоюзный симпозиум "Молекулярные механизмы генетических процессов". Тезисы докладов. - М. 1979. - С. 74.

3. Тётушкин Е.Я. Генетические расстояния между таксонами приматов // Докл. АН СССР, - 1981.-Т. 256, №3,-С. 717-722.

4. Тётушкин Е.Я. Темпы эволюции и генетический полиморфизм белков приматов // Молекулярные механизмы генетических процессов. - М.: Наука, 1982.-С. 125-130.

5. Тётушкин Е.Я. Электрофоретический полиморфизм белков и генетическая дивергенция приматов//Генетика. - 1983.-Т. 19, № 3. -С.353-361.

6. Тётушкин Е.Я. Внутривидовая таксономия и генетическая изменчивость узконосых обезьян // Популяционная изменчивость вида и проблемы охраны генофонда млекопитающих. Тезисы докладов Всесоюзного совещания. - М. 1983. - С. 191-192.

7. Тётушкин Е.Я. Эволюционные изменения структурных генов и морфологических признаков // V Всесоюзный симпозиум "Молекулярные механизмы генетических процессов". Тезисы докладов. - М. 1983. - С. 88.

8. Тётушкин Е.Я. О генетическом сходстве человека и человекообразных обезьян // Журн. общ. биологии. - 1984. - Т. 45, № 5. - С. 694-699.

9. Тётушкин Е.Я. Эволюция на двух уровнях организации жизни — молекулярном и онтогенетическом // Макроэволюция (материалы 1 Всесоюзной конференции по проблемам эволюции). - М.: Наука, 1984. -С. 204-205.

10. Тётушкин Е.Я. Внутривидовая изменчивость по биохимическим фенам // Фенетика популяций. Материалы III Всесоюзного совещания. - М. 1985. -С. 42-43.

11. Тётушкин Е.Я. Генетическая изменчивость азиатских и африканских обезьян//Успехи совр. биологии. - 1986.-Т. 101, вып. 1,-С. 43-53.

12. Тётушкин Е.Я. Мозаичная эволюция структурных генов и количественных признаков // V Съезд Всесоюзного общества генетиков и селекционеров им. Н.И. Вавилова. Тезисы докладов. Т. I. - М. 1987. - С. 274-275.

13. Тётушкин Е.Я. Темпы эволюции белков и морфологических признаков // VI Всесоюзный симпозиум "Молекулярные механизмы генетических процессов". Тезисы докладов. - М. 1987. - С. 100-101.

14. Тётушкин Е.Я. Дифференциация больших рас по маркерам генов // Генетические маркеры в антропогенетике и медицине. Тезисы 4-го Всесоюзного симпозиума. - Хмельницкий. 1988. - С. 68.

15. Тётушкин Е.Я. Темпы молекулярной и морфологической эволюции // Проблемы макроэволюции. - М.: Наука, 1988. - С. 25.

16. Тётушкин Е.Я. Генетические и морфологические расстояния между большими расами человека // Генетика. - 1989. - Т. 25, № 5. - С. 918-922.

17. Тётушкин Е.Я. Темпы молекулярной и фенотипической эволюции // Докл. АН СССР. - 1989. - Т. 305, № 5. - С. 1241-1245.

18. Тётушкин Е.Я. Сравнение скоростей молекулярной и фенотипической эволюции // VII Всесоюзный симпозиум "Молекулярные механизмы генетических процессов". Тезисы докладов. - М. 1990. - С. 107-108.

19. Тётушкин Е.Я. Эволюция молекулярных и морфологических структур // X Всесоюзное совещание по эволюционной физиологии, посвященное памяти академика JI.A. Орбели. Тезисы докладов. - Ленинград: Наука, 1990. - С. 40-41.

20. Тётушкин Е.Я. Молекулярные эволюционные часы и теория нейтральности молекулярной эволюции (к 30-летию гипотезы молекулярных часов) // Успехи совр. биологии. - 1991. - Т. 111, вып. 6. -С. 812-827.

21. Тётушкин Е.Я. Молекулярная палеогенетика приматов // Генетика. -1997.-Т. 33,N3.-С. 293-307.

22. Тётушкин Е.Я. Хронология эволюционной истории человека // Успехи совр. биологии. - 2000. - Т. 120, № 3. - С. 227-239.

23. Тётушкин Е.Я. Генетика и происхождение "рас" человека // Генетика. -2001. - Т. 37, N 8. - С. 1029-1045.

24. Тетушкин Е.Я. Становление человека // Связь времен, т.1 — Слово к миру. - М.: МГВП КОКС, 2002. - С. 528-539.

25. Тётушкин Е.Я. Темпы молекулярной эволюции приматов // Генетика. -2003. - Т. 39, № 7. - С. 869-887.

26. Тётушкин Е.Я. Генетическая генеалогия индивидов и происхождение европейцев // "Экология и демография человека в прошлом и настоящем". Третьи Антропологические чтения к 75-летию со дня рождения академика В.П. Алексеева, 15-17 ноября 2004. - Москва: Институт археологии РАН, Институт этнологии и антропологии РАН, Музей и институт антропологии МГУ, Российское отделение Европейской антропологической ассоциации, 2004. - С. 286-287.

27. Тетушкин Е.Я. Популяционная генетика и макроэволюционная генетика: единство и разобщенность // Успехи совр. биологии. 2008. Т. 128, № 2. С. 115-128.

28. Tetuskin E.Ja. Molecular and morphological evolution // Towards a new synthesis in evolutionary biology. Proceedings of the International Symposium. -Praha. 1987. - P. 142-143.

29. Tetushkin Ye.Ya. Mosaic evolution of proteins and quantitative characters // Second International Conference on Quantitative Genetics. Abstracts. - Raleigh, North Carolina. 1987. - P. 114.

30. Tetuskin E.J. Molecular and morphological evolution of major human races // Evolutionary Biology: Theory and Practice. Abstracts of the International Symposium. - Plzen. 1988. - P. 53.

31. Tetushkin E.Ya. Rates of molecular and phenotypic evolution in primates // Genome. - 1988. - Vol. 30, suppl. 1. - P. 391.

32. Tetushkin E. Tempos of molecular and morphological evolution // Evolutionary Biology. Second Congress of European Society for Evolutionary Biology. Abstracts. - Roma, Universita di Roma "Tor Vergata". 1989. - P. 66.

33. Tetuskin E. Molecular and phenotypic differentiation of human races // Proceedings of the 8th International Congress of Human Genetics. Washington. The American Journal of Human Genetics. - 1991. - Vol. 49, № 4, suppl. - P. 463.

34. Tetushkin E. When did evolutionary genetics originate // Genetics — Understanding Living Systems. XX International Congress of Genetics. Abstract Book. - Berlin, 2008. - P. 140.

35. Tetushkin E. Phenomic and genomic divergence of hominoids // Genetics — Understanding Living Systems. XX International Congress of Genetics. Abstract Book. - Berlin, 2008. - P. 247-248.

Тетушкин Евгений Яковлевич Молекулярная и фенотипическая дивергенция приматов Автореф. диее. на соискание ученой степени канд. биол. наук Подписано в печать 26.12.2008. Заказ № 218/12/08 Формат 60x90 1/16. Усл. печ. л. 1,1. Тираж 100 экз. ООО «Цифровичок»

ООО "Цифровичок", тел. (495) 797-75-76; (495) 649-83-30 , l^JJ www.cfr.ru; e-mail:info@cfr.rtt

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Тетушкин, Евгений Яковлевич

Обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1. Темпы эволюции молекул и организмов.

1.1. Первоначальные гипотезы.

1.2. Пуассоновская модель молекулярных часов.

1.3. Способы проверки гипотезы молекулярных часов.

1.4. Нейтралистская модель молекулярных часов.

1.5. Селекциопистские модели молекулярных часов.

1.6. О точности молекулярных часов.

1.7. Молекулярная и фенотипическая дивергенция.

1.7.1. Предыстория вопроса.

1.7.2. "Эволюция на двух уровнях" по Уилсону.

1.7.3. Концепция коэволюции молекул и морфологий.

1.7.4. "Закон спринтера и стайера".

1.7.5. О связи генетических и фенотипических расстояний.

1.7.6. Динамика скоростей эволюции организмов.

Глава 2. Темпы молекулярной эволюции приматов.

2.1. Возникновение дилеммы.

2.2. Темпы эволюции аминокислотных последовательностей.

2.3. Темпы эволюции нуклеотидных последовательностей.

2.4. Динамика накопления мутаций.

2.5. Факторы, влияющие на темпы молекулярной эволюции.

2.5.1. Частота мутаций.

2.5.2. Скорость фиксации мутаций.

2.5.3. Относительный вклад разных факторов.

2.6. Темпы геномной эволюции.

Глава 3. Генетические расстояния по белковым маркёрам.

3.1. Электрофоретическое изучение белков мартышек и макаков.

3.1.1. Материал и методика.

3.1.2. Описание электрофоретических фенотипов.

3.2. Генетические расстояния по частотам электроморф.

3.2.1. Генетические расстояния Нея.

3.2.2. Сравнение генетических расстояний.

3.3. Антигенные и аминокислотные расстояния.

Глава 4. Дивергенция морфофеномов.

4.1. Данные о пропорциях тела приматов.

4.2. Показатель расстояния и методы кластеризации.

4.3. Результаты кластерного анализа.

Глава 5. Генетическая и фенотипическая дивергенция.

5.1. Сравнение генетических и фенотипических расстояний.

5.2. Темпы эволюции на двух уровнях организации.

5.3. Генетическая и традиционная систематика.

Глава 6. Генетический полиморфизм и эволюция обезьян.

6.1. Постановка вопроса.

6.2. Изменчивость по локусу

6.3. Внутривидовая изменчивость электрофоретических маркеров генов мартышек и макаков.

6.4. О причинах различий в генетической изменчивости мартышек и макаков.

6.5. О причинах различий в генетической изменчивости азиатских и африканских обезьян.

Глава 7. Дифференциация человечества.

7.1. Генетические и фенотипические расстояния между расами.

7.1.1. Постановка вопроса.

7.1.2. Материалы и методы.

7.1.3. Результаты сопоставления дендрограмм.

7.2. Генетика и происхождение рас.

7.2.1. Понятие расы и генетическое разнообразие человечества.

7.2.2. ДНК-маркеры, дифференциация «рас» и происхождение человека.

7.2.3. Генетика и эволюция «расоводиагностических признаков».

7.2.4. Существуют ли расы человека?.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Молекулярная и фенотипическая дивергенция приматов"

Одна из ключевых задач современной эволюционной генетики состоит в том, чтобы объединить на общей концептуальной основе теорию молекулярной эволюции с теорией эволюции фенотипов (феномов). Её решение предполагает глубокое понимание сущности генетических основ эволюции, которое может быть достигнуто только в результате заметного прогресса в изучении организации генома, механизмов морфогенеза и связи между эволюционными изменениями информационных молекул и количественных признаков. Настоящее исследование посвящено феноменологическому анализу такой связи на примере эволюции приматов.

Проблема соответствия между молекулярной и фенотипической (точнее, феномной) эволюцией возникла в 1960-е годы вместе с молекулярной эволюционной генетикой. Тогда же были высказаны первые предположения относительно характера такой связи. Они были сформулированы в известной работе Цукеркандла и Полинга (Zuckerkandl, Pauling, 1965) в виде двух альтернативных гипотез. Согласно первой, получившей название гипотезы молекулярных часов, скорость накопления мутационных замен приблизительно постоянна и не зависит от темпов фенотипической эволюции. Согласно второй, темпы эволюции информационных макромолекул изменяются с изменением темпов феномной эволюции. В те же 1960-е годы появились первые работы, в которых проводились сравнения молекулярно-генетических и феномных различий между таксонами разного ранга. Однако эти исследования, продолжавшиеся и после 1960-х годов, не внесли существенного вклада в теорию рассматриваемого вопроса.

В последующие десятилетия первая из упомянутых гипотез наиболее активно разрабатывалась Кимурой и его последователями в рамках выдвинутой им теории нейтральности. Кимура считал, что молекулярная и фенотипическая эволюция отличаются по темпам и по форме: если первая протекает с постоянной скоростью и консервативна по форме, то вторая неравномерна и носит приспособительный характер. Последняя книга покойного Кимуры, написанная на японском языке, посвящена проблеме взаимосвязи нейтральной эволюции на молекулярном уровне и адаптивной эволюции на фенотипическом уровне (см. некролог: ТакаЬа1а, 1995). Иную точку зрения отстаивают Гудмэн и некоторые другие авторы, которые рассматривают молекулярную эволюцию как часть организмепной эволюции и говорят о коэволюции генетических молекул и морфологического фенотипа. Обе эти концепции нередко дополняются представлением, что в основе фенотипической эволюции лежат главным образом изменения в регуляторных участках генома, влияющие на экспрессию групп генов и обладающие комплексным системным эффектом.

Так или иначе, существует обоснованное мнение, что эволюция на разных уровнях организации живого характеризуется специфическими закономерностями. Эти закономерности определяются особенностями действия факторов эволюции на соответствующие признаки. Так, например, белки и кодирующие их гены, по-видимому, испытывают большее влияние случайного дрейфа и существенно меньшее естественного отбора, чем морфологические структуры. В результате, наряду с мозаичной эволюцией признаков одного уровня — в данном случае разных макромолекул или морфологических признаков — должна наблюдаться и действительно наблюдается межуровневая мозаичность эволюционных преобразований информационных молекул, с одной стороны, и морфофенотипических признаков — с другой.

Цель настоящей работы состояла в том, чтобы сопоставить темпы дивергенции приматов на молекулярном и организменном уровнях организации. Для её достижения предполагалось провести комплексный анализ эволюции таксонов этого отряда по белковым маркерам генов, с одной стороны, и морфометрическим характеристикам — с другой. Одним из теоретических оснований, послуживших исходным пунктом при выполнении данной работы, было предположение, которое один из основателей синтетической теории эволюции, эволюционный цитогенетик Стеббинс назвал законом зайца и черепахи" (Stebbins, 1983) и которое мы называем "законом спринтера и стайера". Из него следует, что корреляции между молекулярными и фенотипическими расстояниями для недавно дивергировавших таксонов должны быть, как правило, выше, чем для давно дивергировавших таксонов. В наших работах на эту тему, часть из которых вышла еще до упомянутой публикации Стеббипса, мы исходили именно из такого интуитивно правдоподобного предположения; это была одна из рабочих гипотез, с которой мы приступили к данной работе. Предполагалось, что кривая зависимости фенотипической дивергенции от генетической с ростом последней выходит на плато.

В последние годы наблюдается оживление интереса к проблеме связи между молекулярной и фенотипической эволюцией, объясняемое появлением предпосылок для ее решения. С одной стороны, образовался постоянно растущий массив информации о геномах, с другой — появились базы данных о феномах, т.е. формализованные описания фенотипов отдельных видов. Об актуальности выбранной темы свидетельствует, например, то обстоятельство, что проект "Геномы приматов" предлагается дополнить проектом "Феномы приматов" (Varki et al., 1998; и др.). В настоящее время уже осуществляется несколько подобных феномных проектов, охватывающих и виды млекопитающих (см. обзоры: Bard, 2005; Mabee et al., 2007; Mailman et al., 2007) . Сопоставление результатов таких парных проектов поможет прояснить генетические основы организменной эволюции. Это одно из самых важных направлений современной биологии (Тетушкин, 2008; см. Заключение). Таким образом, тема диссертации, сформулированная ещё в «догеномную эру», оказалась в русле новейших тенденций развития эволюционной генетики (геномики).

Приматы были выбраны в качестве объекта этого исследования ввиду, во-первых, их хорошей изученности на всех уровнях организации, во-вторых, их большого феномного разнообразия, в-третьих, в связи с тем, что их молекулярная систематика в ряде существенных деталей отличается от традиционной и, в-четвертых, потому, что они включают человека, эволюционно-генетическое изучение которого с помощью сравнительных подходов и методов представляет очевидный и особый интерес.

В соответствии с целью исследования, первоначально были поставлены три основные задачи:

Было впервые показано, что генетические расстояния по электрофоретическим маркерам генов между таксонами приматов в среднем существенно меньше, чем между столь же отдаленными, в систематическом отношении, таксонами неприматов (Тётушкин, 1981, 1983а). Автор первым продемонстрировал, что средние генетические расстояния между относительно близкими родами узконосых приматов прямо пропорциональны средним морфологическим расстояниям (Тётушкин, 1979а) и что значения корреляций между расстояниями этих двух типов зависят от глубины дивергенции таксонов: чем меньше дивергенция — тем сильнее корреляция (Тётушкин, 19896). Впервые, с помощью линейного программирования, были вычислены и сопоставлены длины ребер филогенетических деревьев, отражающих соответственные эволюционные изменения по молекулярным и морфологическим признакам приматов (Тётушкин, 19896). На основе этого сравнения сделан ряд важных выводов относительно темпов молекулярной и фенотипической эволюции на разных этапах филогенеза и в разных филогенетических линиях отряда приматов.

Интегрирующей идеей, объединяющей материалы этой диссертации, служит концепция мозаичной эволюции. Квазинезависимая дивергенция на молекулярном уровне, с одной стороны, и организменном — с другой, составляющая предмет данного исследования, была названа нами «межуровневой мозаичпостью». В диссертации проанализированы закономерности такой мозаичности в ходе эволюции приматов. Выявленные феноменологические зависимости между дивергенцией на двух уровнях организации получат всеобъемлющее объяснение только тогда, когда будут выяснены каузальные связи между геномами и феномами. С другой стороны, изучение подобных зависимостей, в частности предпринятое в данной работе, помогает установлению таких связей. Происходящий сейчас переход к «широкогеномным» и феномным сравнениям таксонов открывает новые перспективы в этой области исследований.

Структура диссертации отличается от традиционной. Она определяется логикой развития темы, которая требует анализа широкого спектра источников из разных областей биологии.

Заключение Диссертация по теме "Генетика", Тетушкин, Евгений Яковлевич

выводы

2. Таксоны высших приматов разного ранга — от видов одного рода до близких семейств —■ по электрофоретическим маркерам генов сходны на уровне популяций, подвидов и близкородственных видов неприматов. Генетические расстояния между этими таксонами, включая гоминоидов, соответствуют их иерархии.

8. Средняя генетическая изменчивость африканских обезьян, в частности, по высокополиморфному локусу Т£ значительно ниже средней генетической изменчивости азиатских обезьян, что согласуется с гипотезой азиатского происхождения некоторых африканских обезьян.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Со времени появления статьи Кинг и Уилсона (King, Wilson, 1975а), побудившей нас начать эту работу, прошло более 30 лет. Эволюционная генетика ушла далеко вперед, а на рубеже веков ещё и породила эволюционную геномику, которая изучает эволюционный процесс не по отдельным локусам, а на основе сравнительного анализа геномов. Сформировалась также такая дисциплина как эволюционная биология развития ("evo-devo", как её называют в англоязычной литературе), изучающая причинные связи между эволюционной изменчивостью генов и морфологических структур. Что нового привнесли эти перемены в наше понимание проблемы «эволюции на двух уровнях организации»?

В 2005 г. было опубликовано эссе «Эволюция на двух уровнях: о генах и форме» (Carroll, 2005; русск. перевод: Кэрролл, 2007), посвященное 30-летнему юбилею статьи Кинг и Уилсона (King, Wilson, 1975а). В нем рассматривается, с современных позиций, вопрос об относительном вкладе изменений регуляторных и кодирующих последовательностей в эволюционную изменчивость морфологических признаков. Автор приводит аргументы в пользу положения о том, что основной вклад в эволюцию анатомических структур вносят мутации регуляторных последовательностей; иными словами, он подтверждает главный тезис чествуемой «классической статьи».

Здесь требуются пояснения. В «классической статье» (King, Wilson, 1975а) действительно высказывалось предположение, что «основные биологические различия между человеком и шимпанзе» возникли в результате «регуляторных мутаций». О природе этих мутаций почти ничего не говорилось, поскольку о ней тогда ничего не было известно. Отмечалось только, что они приводят к «изменениям в механизмах, контролирующих экспрессию генов». Некоторые из таких изменений, полагали авторы статьи, могут быть вызваны хромосомными перестройками. Кинг и Уилсон противопоставляли регуляторные мутации точковым мутациям в генах, кодирующих белки. По их высказанному тогда мнению, для проверки «гипотезы о том, что организменные различия между особями, популяциями и видами обусловлены главным образом регуляторными различиями», нужны новые методы.

В упомянутой современной интерпретации этих идей (Carroll, 2005) под кодирующими последовательностями имеются в виду преимущественно гены факторов транскрипции, а под регуляторными последовательностями — цис-регуляторные элементы (то есть промоторы, энхансеры, сайленсеры, инсуляторы). Думаю, что такое «осовременивание» концепции, сформировавшейся в 1970-х годы, не вполне корректно. Изменения последовательностей обоих типов влияют на экспрессию генов и, согласно приведенному определению, относятся к регуляторным мутациям. В «классической статье» в качестве последовательностей первого типа рассматриваются в основном гены «белков домашнего хозяйства» и транспортных белков. В данной диссертации под термином кодирующие последовательности тоже подразумеваются нуклеотидные последовательности любых структурных генов.

Кэрролл, в сущности, сравнивает влияние одних регуляторных мутаций (в кодирующих генах) с влиянием других регуляторных мутаций (в некодирующих последовательностях). Какие аргументы легли в основу сделанного им вышеприведенного вывода? Исходный пункт его теоретических рассуждений — тезис о решающем влиянии плейотропии на относительный вклад тех или иных генетических механизмов в эволюционную изменчивость морфологических признаков. Считается, что фиксация мутаций, воздействующих на формообразование, зависит от их плейотропных эффектов: чем больше эти эффекты — тем больше снижается приспособленность и усиливается интенсивность отбора против мутантов. У многоклеточных организмов точковые мутации в структурных генах, например, кодирующих факторы транскрипции, проявляют свое действие, если они не нейтральны, во всех тканях, где экспрессируются эти гены. Необходимые в конкретных ситуациях морфологические сдвиги могут быть достигнуты как в результате изменений определенных кодирующих, так и некодирующих последовательностей. Однако мутации в дуплицированных цис-регуляторных элементах имеют избирательное, более локальное проявление и поэтому сопровождаются меньшими плейотропными эффектами. Заметим, что мысль об ограничении плейотропии через дифференциацию организации развивалась Серебровским еще в 1930-х гг. (Серебровский, 1973). Сходную мысль об «устранении явлений плейотропизма», сопряженных с геномными корреляциями, высказывал Шмальгаузен. Он считал, что «наиболее быстрый темп эволюции мозаичного организма» может быть обеспечен только при его максимальной мозаичности (Шмальгаузен, 1982, с. 208).

Рассмотрение соответствующих эмпирических данных, которых пока немного, вроде бы подтверждает эти теоретические построения. Получены убедительные результаты, свидетельствующие, что приобретение, потеря или изменение ряда морфологических и физиологических признаков никак не связаны с мутациями кодирующих генов и обусловлены исключительно изменениями в модульных цис-регуляторных элементах (см. ссылки в эссе Carroll, 2005; Gumucio et al., 2002). Вместе с тем существуют не менее убедительные примеры влияния на морфологические признаки мутаций в кодирующих последовательностях. Однако аминокислотные замены в белках с широким спектром плейотропных эффектов, как правило, отсеиваются стабилизирующим отбором и поэтому не вносят вклада в морфологическую изменчивость. К тому же высказывается мнение (Гомпел и др., 2008), что за развитие организма отвечает не более 10% его структурных генов. Остальные, возможно, не влияют на процесс формообразования.

Пока у нас нет оснований принимать изложенную точку зрения за истину в последней инстанции. Ней (Nei, 2007), например, не согласен с тем, что морфологическая эволюция обусловлена преимущественно мутациями в регуляторных последовательностях, поскольку ни Уилсон, ни его последователи в данном вопросе не представили достаточных доказательств своей правоты. Напротив, он считает, что накапливается все больше и больше данных, свидетельствующих о важном эволюционном значении мутаций структурных генов, придерживаясь при этом гипотезы больших генных эффектов (major gene effect hypothesis), которая первоначально была сформулирована Кимурой (Kimura, 1968).

В своих построениях Ней (Nei, 1987) отталкивается от дилеммы, порожденной теорией нейтральности Кимуры. Мутации и генетический дрейф — важнейшие факторы молекулярной эволюции, рассуждает он. Однако в фенотипической эволюции значительную роль, очевидно, играет естественный отбор, поскольку большинство морфологических и физиологических признаков хорошо приспособлены к среде обитания организмов. Ней задается вопросом: как совместить эти два обобщения? По его мнению, существуют две возможности для такого совмещения. Во-первых, можно предположить, что нейтральные аллели не являются строго нейтральными (гипотеза Оты, о которой упоминалось в гл. 1) и что именно их совокупное действие определяет адаптивную изменчивость организмов. Ней назвал такое предположение гипотезой малых генных эффектов (minute gene effect hypothesis). Во-вторых, можно согласовать эти обобщения, предположив, что существуют особые, адаптивные мутации, составляющие небольшую часть всех невредных мутаций, и что приспособленность организмов определяется такими адаптивными мутациями. Это и есть, по терминологии Нея, гипотеза больших генных эффектов. Первая гипотеза, предложенная Лэттером (Latter, 1972; см. ссылку у Nei, 1987), получила формальное обоснование в трудах Кимуры (см. Kimura, 1983) и Милкмэна (Milkman, 1982; см. ссылку у Nei, 1987). Кимура, судя по всему, склонялся ко второй гипотезе (Kimura, 1983, р. 142-143; Кимура, 1985, с. 170-171).

Авторы недавней обстоятельной сводки по этому вопросу (Hoekstra, Coyne, 2007) также подвергли сомнению представление о ведущей эволюционной роли мутаций в цис-регуляторных участках. Оно не подтверждается эмпирическими данными: преобладающее большинство изученных, с эволюционно-генетической точки зрения, случаев морфологической и физиологической адаптации организмов обусловлены аминокислотными заменами в белках. Теоретические аргументы в пользу тезиса об определяющей роли цис-регуляторных мутаций также неубедительны. Этот тезис, возможно, и справедлив, но пока не доказан. Весьма неожиданным оказалось то, что эволюция транскриптома носит нейтральный характер: большинство межвидовых различий в генной экспрессии — селективно нейтральны или почти нейтральны (Khaitovich et al., 2004). Согласно другому исследованию, проведенному на приматах, предположительно не менее 5% различий по экспрессии генов обусловлено отбором (Hsieh et al., 2003).

Непрерывно изменяющаяся ситуация в эволюционной генетике заставляет переосмыслить цель этой диссертационной работы. Приведенная во введении ее формулировка — «сопоставить темпы дивергеиции приматов на молекулярном и организменном уровнях организации» — наполняется все новым и новым содержанием. Нетрудно заметить, что она имеет непосредственное отношение к проблеме связи между генетической и фенотипической изменчивостью — главной для эволюционной генетики и эволюционной биологии вообще. Закономерности, соединяющие генотипические и фенотипические преобразования, должны, по мысли Левонтина (1978), лежать в самой основе логической структуры теории эволюционной (популяционной) генетики. Однако, как отмечал тот же Левонтин, эволюционная динамика трансформаций генотипов и фенотипов описывается в рамках разных теоретических структур с использованием разного понятийного аппарата. Ныне ситуация меняется, хотя и очень медленно (см. Тетушкин, 2008).

Перспективы решения этой и других фундаментальных проблем эволюционной генетики связаны с развитием биологии систем, возродившейся недавно в новом качестве (Hood, 2003; Hiesinger, Hassan, 2005; Benfey, Mitchell-Olds, 2008; см. Моисеев, 1990; Тетушкин, 2008; Энгельгардт, 1984). Именно в ней воплощаются упомянутые интегративные тенденции в геномную и постгеномную эры. Современная биология систем является прямым порождением геномики и других "омик": транскриптомики, протеомики, интерактомики, метабономики, феномики (Ge et al., 2003). Она интегрирует данные всех этих "омик". Левонтин писал, что "развитие теории фенотипа и фенотипических трасформаций следует, как это сделал Фишер в 1918 г., начинать с генов" (Lewontin, 1980). Уточним в духе времени: её развитие следует начинать не с генов, а с геномов. Выяснение вклада разных генетических сетей и метаболических путей в формирование фенотипов обоснованно отнесено, наряду с изучением механизмов эволюционной изменчивости, к числу самых важных задач геномики (Collins et al., 2003). Геном, а точнее эпигеном определяет феном (полный набор возможных фенотипов) через транскриптом (полный набор транскриптов), протеом (полный набор белков), интерактом (полный набор взаимодействий между макромолекулами), локализом (информацию о месте и времени локализации генных продуктов в клетках и экспрессии генов в онтогенезе) и метабоном (почти полный набор метаболитов организма), зависящий от метаболома (почти полного набора метаболитов в клетках) (Hiesinger, Hassan, 2005). Фенотип системы представляет собой эмерджентное свойство взаимодействий всех компонентов этой системы, испытавшей влияния внешних факторов. Поэтому эволюцию организмов можно рассматривать как процесс преобразования сложных самоорганизующихся сетей, состоящих из относительно самостоятельных блоков — функциональных модулей (Ge et al., 2003; Vespignani, 2003; Weitz et al., 2007). Заметим, что речь идет не о перетасовке отдельных участков генов и геномов, что называют иногда модульной эволюцией (Тиходеев, 2005), а об изменениях отдельных фрагментов и топологической архитектуры сетей взаимодействий. Одним из препятствий на пути реализации подобных подходов к изучению эволюции являются трудности с получением точного формализованного описания фенотипов и феномов. Но они постепенно преодолеваются в ходе выполнения международных феномных проектов, создаваемых по образу и подобию геномных проектов (Уаг1а е1 а1., 1998; ВосЬпег, 2003; Рге1тег, БаЬаШ, 2003).

Таким образом, тема диссертации, сформулированная нами ещё в «догеномную эру», оказалась в русле новейших тенденций развития эволюционной биологии. Конечно, используемые нами молекулярные данные, основанные большей частью на сравнениях белков, не столь информативны, как те, что основаны на сравнениях современных геномных маркеров. Однако на сегодня именно эти данные наиболее полно характеризуют генетическое разнообразие, как отряда приматов, так и многих других таксонов надвидового ранга. К тому же было показано, что 80% белков даже столь близких видов как человек и шимпанзе отличаются, по крайней мере, одной аминокислотной заменой (С1агко е1 а1., 2005). Не исключено, что некоторые из таких замен приводят к фенотипическим сдвигам.

Разумеется, столь широко очерченная цель исследования не могла быть достигнута в рамках одной диссертационной работы. Во введении было специально оговорено, что тематика нашей диссертации ограничена феноменологическим анализом связи между молекулярной и фенотипической дивергенцией приматов. Изучение каузальных связей между эволюцией на этих двух уровнях началось совсем недавно и пока не носит систематического характера; у нас не было и нет материальных и иных возможностей для подключения к этим исследованиям. В нашей работе сделаны определенные, посильные шаги к поставленной цели и намечены перспективы дальнейшего продвижения в выбранном направлении.

При выполнении первой задачи (см. Введение) было впервые показано (Тётушкин, 1981, 1983а), что генетические расстояния по электрофоретическим маркерам генов между таксонами приматов в среднем существенно меньше, чем между столь же отдаленными, в систематическом отношении, таксонами неприматов. Генетические расстояния между таксонами приматов соответствуют иерархии этих таксонов. Например, полученное нами генетическое расстояние между мартышками и макаками, представляющими не очень близкие роды подсемейства мартышковых, оказалось значительно меньше генетического расстояния между человеком и шимпанзе, которые в традиционной систематике относятся к разным семействам. Это означает, что широко цитировавшееся заключение о «парадоксально большом» генетическом сходстве человека и шимпанзе (King, Wilson, 1975) не корректно. По электрофоретическим белковым маркерам генов гоминиды и понгиды демонстрируют сходство на уровне видов, принадлежащих к разным семействам отряда приматов.

При выполнении второй задачи было показано, что средние генетические (иммунологические) расстояния между относительно близкими, в пределах семейств и подсемейств узконосых, родами прямо пропорциональны средним морфологическим расстояниям между этими родами (Тётушкин, 1979а). Наибольшие значения корреляций между расстояниями этих двух типов наблюдались у узконосых, объединяющих виды, которые дивергировали в среднем позже, чем виды из других, более древних, таксономических групп отряда приматов (Тётушкин, 19896). Эти результаты согласуются с «законом спринтера и стайера» (см. введение и гл. 1). Таким образом, в нашей работе получено первое, и пока единственное, подтверждение справедливости этого закона, сформулированного, как уже было сказано, одним из создателей синтетической теории эволюции Стеббинсом (Stebbins, 1983).

В ходе решения третьей задачи, впервые, с помощью линейного программирования, были вычислены и сопоставлены длины ребер филогенетических деревьев, отражающих соответственные эволюционные изменения по молекулярным и морфологическим признакам (Тетушкин, 19896). На основе такого сравнения сделан ряд важных выводов, касающихся темпов молекулярной и фенотипической эволюции на разных этапах филогенеза и в разных филогенетических линиях отряда приматов. Выявлены значительные различия в динамике эволюционных изменений на молекулярном и организменном уровнях организации.

Новизну перечисленных результатов следует оценивать в контексте того времени, когда они были получены. Однако и сейчас они не потеряли своей теоретической значимости. Более того, вопросы, разрабатываемые в нашей диссертации, приобретают все большую и большую актуальность, поскольку они связаны с фундаментальными и до сих пор не решенными проблемами генетики и теории эволюции. Важнейшая из них, как уже отмечалось, — это проблема связи между геномной и феномной эволюцией.

Оживление интереса к этой ключевой для всей эволюционной биологии проблеме объясняется появлением долгожданных предпосылок для ее решения. С одной стороны, образовался постоянно растущий массив информации о геномах, с другой — появились базы данных о феномах (см., например, обзор: Bard, 2005); под «феномом» обычно понимается полное фенотипическое описание отдельных видов (см. Freimer, Sabatti, 2003; Mahner, Kary, 1997).* Выявленные нами феноменологические зависимости между дивергенцией на двух уровнях организации получат всеобъемлющее объяснение только тогда, когда будут выяснены каузальные связи между геномами и феномами. С другой стороны, изучение подобных зависимостей у разных групп организмов будет способствовать установлению таких связей. Происходящий сейчас переход к «широкогеномным» и полногеномным сравнениям таксонов, в частности приматов (Sikela, 2006; Pennisi, 2007), открывает новые перспективы в этой области исследований.

Помимо задач, первоначально поставленных в плане исследования, в этой работе были получены ответы и на другие вопросы. Так, на основе логического анализа крайне противоречивых данных по эволюции белков и ДНК, опубликованных во множестве источников, мы пришли к выводу о реальности замедления молекулярной эволюции в линии гоминоидных предков человека. Заметим, что эта старая гипотеза подвергалась и подвергается сомнению целым рядом авторитетных авторов. Кроме того, в связи с проверкой данной гипотезы было проведено сравнение темпов эволюции внутриклеточных и сывороточных белков с использованием метода «сверки часов», предложенного в этой работе.

Была продемонстрирована синхронность хода часов, основанных на этих белках; исключение составила линия ближайших предшественников человека, где было выявлено относительное замедление скоростей изменения внутриклеточных белков (Тетушкин, 1979а).

С целью реконструкции эволюционной истории видов узконосых, были вычислены показатели их генетической изменчивости, в частности, по высокополиморфному локусу трансферрина. Гетерозиготность азиатских обезьян оказалась, в общем и целом, выше гетерозиготности африканских обезьян. Мы предположили (Тётушкин, 1986), что это объясняется, главным образом, азиатским происхождением некоторых африканских обезьян; предки последних, возможно, утратили часть своего разнообразия в ходе длительных миграций. Гипотеза об азиатской прародине ряда африканских обезьян, отвергавшаяся почти всеми палеоприматологами, на наш взгляд имеет право на существование. С этой гипотезой согласуются и результаты широкогеномных сравнительных исследований, свидетельствующие о «северном» происхождении всего надотряда ЕиагсИопи^НгеБ, который включает приматов (\УПс1тап е1 а1., 2007).

В свое время мы обратили внимание на то, что традиционные расовые классификации, принятые отечественными антропологами, противоречат генеалогиям человеческих популяций, основанным на классических генетических маркерах. Нами была проведена кластеризация этнотерриториальных групп человека по некоторым пропорциям тела (Тётушкин, 1989а). Полученные группировки соответствовали, правда, в самых общих чертах, характеру дивергенции по белковым маркерам. Из результатов кластеризации по обеим группам признаков следовало, что выделение негроидного ствола предшествовало расхождению европеоидов и монголоидов. Таким образом, было показано, что фенотипическая дивергенция крупных внутривидовых подразделений — больших рас — соответствует их генетической дивергенции по белковым маркерам.

Интегрирующей идеей, объединяющей материалы этой диссертации, служит концепция мозаичной эволюции. Квазинезависимая дивергенция на молекулярном уровне, с одной стороны, и организменном — с другой, составляющая предмет данного исследования, была названа нами (Tëtushkin, 1987) «межуровневой мозаичностью». В гл. 5 мы проанализировали закономерности такой мозаичности в ходе эволюции приматов. Отмечены значительные неравномерности фенотипической эволюции, контрастирующие с относительным постоянством темпов молекулярной эволюции. По своим экзофенотипам виды отряда кластеризуются, главным образом, в соответствии с присущими им особенностями локомоции.

Различия в скоростях эволюции признаков обусловлены модульностью организмов. Именно модульность служит причиной независимого развития и эволюции разных частей фенотипа (Müller, 2007; Wagner et al., 2007). Различные элементы внутри одного модуля недостаточно индивидуальны и не способны к независимой эволюции, но при этом не зависят от других модулей (Brakefield, 2007). Сравнительная морфометрия по отдельным системам признаков свидетельствует не о геномных различиях, а о функциональном значении этих систем признаков. Одна из таких систем, имеющих относительно самостоятельное функциональное значение, —- "признаки головы". Классическая сравнительная морфология приматов основана в значительной мере на краниологических и одонтологических признаках и поэтому, в частности, не вполне отражает общие генетические различия между таксонами. Возможно, что модульность организмов обусловлена, по крайней мере в некоторых случаях, модульностью цис-регуляторных участков и дифференциальной экспрессией факторов транскрипции. Однако «обычные» структурные гены, очевидно, тоже принимают определенное участие в детерминации фенотипических признаков. На внутривидовом уровне, как показывает анализ дифференциации человечества, фенотипические различия определяются экологическими адаптациями и генетическим дрейфом.

Недавно один из основоположников молекулярной эволюционной генетики Ней сформулировал «новую мутационную теорию фенотипической эволюции» (Nei, 2007), зачатки которой можно отыскать в его же книге, вышедшей 20 годами ранее (Nei, 1987). Он пытается возродить, основываясь на достижениях последнего времени, мутационизм Моргана. Морган принимал во внимание роль естественного отбора, что отличает его от другого выдающегося генетика Бэтсона — тоже убежденного сальтациониста, который не придавал естественному отбору существенного значения. Однако мутации не могут быть движущей силой фенотипической эволюции; в этом случае существовал бы тесный параллелизм в дивергенции на молекулярном и организменном уровнях, поскольку оба этих процесса определялись бы случайными событиями. В нашей работе, равно как и в ряде других работ, такой параллелизм не обнаружен. Поэтому основная движущая сила эволюции — это все-таки естественный отбор.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Тетушкин, Евгений Яковлевич, Москва

1. Айала Ф. Введение в популяционную и эволюционную генетику. - М.: Мир, 1984.-230 с.

2. Алексеев В.П. География человеческих рас. М.: Мысль, 1974. - 351 с.

3. Алексеев В.П. Становление человечества. М.: Политиздат, 1984. - 462 с.

4. Алексеева Т.П. Географическая среда и биология человека. М.: Мысль, - 1977. 302 с.

5. Алтухов Ю.П. Биохимическая генетика популяций и эволюция // Молекулярные механизмы генетических процессов. — М.: Наука, 1982. -С. 89-112.

6. Алтухов Ю.П., Рычков Ю.Г. Генетический мономорфизм видов и его возможное биологическое значение // Журн. общ. биологии. 1972. - Т. 33, №3,-С. 281-300.

7. Анисимов В.Н. Современные представления о природе старения // Успехи совр. биологии. 2000. - Т. 120, вып. 2. - С. 146-164.

8. Анненков Г.А. Белки сыворотки крови приматов. М.: Медицина, 1974.- 147 с.

9. Анфинсен К. Молекулярные основы эволюции. — М.: ИЛ, 1962. 228 с.

10. Бабков В.В. Московская школа эволюционной генетики. — М.: Наука, 1985 -,216 с.

11. Балановская Е.В., Рынков Ю.Г. Этническая генетика: этногеографическое разнообразие генофонда народов мира // Генетика. — 1990.-Т. 26, N 1.-С. 114-121.

12. Башкиров В.П. Пропорции тела как расовотаксономический признак // Сов. антропология. 1957. - № 1. - С. 61 -73.

13. Белозерский А.Н., Спирин A.C. Состав нуклеиновых кислот и систематика // Изв. АН СССР, серия биол. 1960. - № 1. - С. 64-81.

14. Биган Д. Планета человекообразных // В мире науки. 2003. - № 11. - С. 68-77.

15. Блан М. Генетическая эволюция человека // Генетика и наследственность. М.: Мир, 1987. - С. 116-137.

16. Блэкит Р.Э. Морфометрический анализ // Теоретическая и математическая биология. М.: Мир, 1968. - С. 247-273.

17. Боуэн Д. Четвертичная геология. М.: Мир, 1981. - 272 с.

18. Брук С.И., Чебоксаров H.H. Расы человека // Народы мира. М.: Советская энциклопедия, 1988. - С. 16-25.

19. Бунак В.В. Род Homo, его возникновение и последующая эволюция. — М.: Наука, 1980.-328 с.23.26.29,30,31

Информация о работе

Тетушкин, Евгений Яковлевич
кандидата биологических наук
Москва, 2009
ВАК 03.00.15

Диссертация

Молекулярная и фенотипическая дивергенция приматов - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы