Синапоморфные признаки в РНК малой субъединицы рибосом беспозвоночных

Алёшин, Владимир Вениаминович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Синапоморфные признаки в РНК малой субъединицы рибосом беспозвоночных
ВАК РФ 03.00.03, Молекулярная биология

Автореферат диссертации по теме "Синапоморфные признаки в РНК малой субъединицы рибосом беспозвоночных"

На правах рукописи

Алёшин Владимир Вениаминович

СИНАПОМОРФНЫЕ ПРИЗНАКИ В РНК МАЛОЙ СУБЪЕДИНИЦЫ РИБОСОМ БЕСПОЗВОНОЧНЫХ

03.00.03 - молекулярная биология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва, 2005

Работа выполнена в отделе эволюционной биохимии Научно-исследовательского института физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского

Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Научный консультант:

доктор биологических наук Петров Николай Борисович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, член-корр. РАН

профессор Малахов Владимир Васильевич доктор биологических наук, профессор Носиков Валерий Вячеславович доктор химических наук, профессор Копылов Алексей Михайлович

Ведущая организация:

Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН

Защита диссертации состоится 22 декабря 2005 г. в 10м часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.76 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Автореферат разослан 22 ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

536.

доктор биологических наук

Н.О. Калинина

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность проблемы. В последние годы выполняется большое число работ, используюших нуклеотидные последовательности генов рРНК современных видов для реконструкции филогенетического дерева. Эвристическая ценность этих данных широко признается. На их основе произведена переоценка многих традиционных филогенетических гипотез и сформулированы новые. Однако практика и язык «молекулярной филогенетики» на первый взгляд отличаются от понятийного аппарата, разработанного современной филогенегикой (кладистикой) Кладистика использует для построения филогенетического дерева только общие эволюционные приобретения - синапоморфные признаки, и игнорирует уникальные и плезиоморфные признаки. Представляется актуальным рассмотреть, насколько теоретические основания кладистики применимы к признакам, обнаруживаемым при сравнении первичной и предполагаемой вторичной структуры рРНК и, следовательно, насколько можно доверять сконструированным с их помощью деревьям. Для этого необходимо уточнение закономерностей эволюции рРНК, влияющих на результат построения дерева, выяснение возможных причин отличий сконструированного дерева от истинного (т. е. дерева, отражающего действительные родственные отношения видов), выработка способов обнаружения таких отличий и путей их преодоления.

Основные положения, выносимые на защиту. Путем сравнения большого числа первичных и предсказанных вторичных структур рРНК малой субъединицы эвкариотов, извлеченных из баз данных или определенных экспериментально, обосновываются следующие положения о структуре и эволюции рРНК, которые выносятся на защиту.

1. Структура рРНК эвкариотов не универсальна, а представлена большим числом относительно устойчивых вариантов. Каждый из них ограничен в своем распространении кругом таксонов, для которых он специфичен.

Выявленные устойчивые (консервативные) структурные варианты отличаются наличием/отсутствием протяженных фрагментов, делециями/инсерциями отдельных нуклеотидов в областях предсказываемых петель рРНК и некомпенсированными делениями или инсерциями нуклеотидов в областях предсказываемых двойных спиралей, а также такими заменами консервативных нуклеотидов, которые специфичны для отдельных таксонов.

В работе описаны устойчивые варианты организации рРНК во вторичной структуре области VI (основной вариант - широко распространенный у эвкариотов, и альтернативный -специфический для кишечнополостных и двустороннесимметричных животпых); специфический для ВПайпа основной вариант организации области УЗ и некоторые производные от него варианты; специфичные для отдельных отрядов и групп отрядов

круглых червей замены в спиралях

высокой

консервативностью альтернативные состояния определенных позиций в петлях шпилек 35 и 48; однонуклеотидная инсерция во внутренней петле спирали 24, выделяющая комплекс семейств брюхоногих моллюсков; независимо фиксировавшиеся инсерции, трансформирующие спираль 43 насекомых и другие, суммированные в «Общей части»

2. Эволюционный переход между структурпыми вариантами рРНК сильно затруднен и может быть описан в терминах «прерываемого равновесия»1.

Небольшая часть сайтов неизменна во всех известных на сегодня природных последовательностях рРНК. Другие сайты рРНК - те, которые составляют вариабельные области макромолекулы, изменяется в эволюции согласно с характером, ожидаемым для нейтральных молекулярных признаков. Но некоторые консервативные фрагменты, отдельные сайты или элементы вторичной структуры (спирали и петли фиксированной длины, отдельные некоплементарпые нуклеотидные пары в составе спиралей) не относятся к инвариантным или легко изменяемым. Они остаются неизменными в пределах таксонов высокого ранга, существующих на протяжении длительных отрезков времени, в течение которых, очевидно, мутации, приводящие к изменению этих элементов, не могли фиксироваться. Но в каких-то других таксонах такие элементы находятся в альтернативном состоянии, причем альтернативный вариант так же стабильно удерживается в пределах другого таксона. Таким образом, эти признаки проявляют переменную вариабельность, в которой длительные периоды стабильности перемежаются короткими и редкими событиями, когда происходит фиксация измененных состояний. Это приводит к следствию -специфичности состояния таких признаков в монофилетических таксонах (неважно, ранга типа или группы видов). Альтернативные состояния выявлены в области спирали 3, 6, 8, Е10_1, 17, 24, 25, 42, 44, 49 и других. Они описаны в «Общей части» и в разделе «Элементы макромолекул как филогенетические маркеры». Признаки, изменение которых возможно, но затруднено, рассматриваются как условно нейтральные.

3. Многие структурные элементы альтернативных устойчивых вариантов рРНК трансформируются подобно сложным органам, сохраняя в своем строении следы пройденных их предками состояний, в соответствии с законом необратимости Долло.

Для некоторых условно нейтральных признаков не выявлено сохранившихся в рРНК следов пройденных предками состояний, например, для изредка фиксирующейся транзиции A->G в петле шпильки 35, реверсии и ковариации которой неизвестны. Однако для многих изменений в рРНК, которые затронули вторичную структуру макромолекулы, точного возврата к пройденному состоянию не наблюдается. Дальнейшая трансформация такого признака обычно приводит к появлению в нем уникалышх особенностей, и при этом

' Перевод «прерываемое равновесие» - более точный, в соответствии с замечанием А.С. Антонова, эквивалент английского "punctuated equilibrium", нежели «прерывистое равновесие»: равновесие либо есть, либо его нет; оно может быть прервано, цо не может быть «прерывистым».

сохраняются отдельные элементы ближайшего предкового состояния. Такие примеры преобразований описаны в диссертации для спирали 17 и соседних участков, спирали 43 бескишечных турбеллярий Асое1а, спирали 49 круглых червей Оогу1атиа и других. Предложена комбинаторная интерпретация закона Долло для макромолекул, основанная на суммарном действии двух факторов: стабилизирующего отбора и случайного мутационного процесса. Данное положение обосновано материалами «Общей части» и раздела «Закон Долло для макромолекул».

4. Устойчивые структурные варианты рРНК представляют собой синапоморфиые признаки с низкой степенью гомоплазии.

Редкость фиксации изменений в консервативных сайтах делает конвергенции по таким признакам маловероятной. Сохранение следов пройденных состояний элементами вторичной структуры рРНК (по закону Долло) приводит к тому, что возникающие конвергенции к тому же обычно не точные, что позволяет обнаружить независимое происхождение таких признаков. Например, неканоническая пнримидин-пиримидиновая пара в спирали 49 занимает различное положение в разных отрядах нематод подкласса Оогук'иша, что свидетельствует о независимом приобретении ими этого признака. Это положение обосновано в разделах «Элементы макромолекул как филогенетические маркеры» и «Общая часть».

5. Синапоморфии в элементах с низкой степенью гомоплазии позволяют выявлять ошибочные группировки в сконструированных деревьях, в частности, артефакты притяжения длинных ветвей. Их учет представляет способ распознавания истинных клад, в том числе включающих «длинные ветви» в сконструированном дереве.

Показано, что многие специфические для таксона структурные признаки сохраняются их представителями с сильно измененной, накопившей многочисленные автоапоморфии рРНК. Положение обосновывается примером сохранения специфических признаков в последовательностях рРНК нематод, генетические дистанции между которыми, вычисленные для полных последовательностей, превосходят таковые между менее измененными рРНК нематод и представителей других типов животных, и другими примерами разделов «Элементы макромолекул как филогенетические маркеры» и «Общая часть».

6. Устойчивые структурные варианты рРНК и их элементы позволяют обнаружить единичные синапоморфии древних клад, несмотря на насыщение вариабельных областей макромолекулы нуклеотидными заменами.

Найдены отдельные молекулярные синапоморфии в структуре спиралей 20, 42, 44 для дивергировавших в докембрии Вйгйепа и Сшёапа, синапоморфии в спирали Е101 для АтЬи1асгаНа с предположительно кембрийским возрастом, синапоморфии в той же спирали для ВОДепа и Мухогоа и другие.

7. Заключения о филогении отдельных групп, конкретизированные в систематической части диссертации.

Сделанные заключения обосновываются материалами сравнения полных последовательностей рРНК и отдельных признаков с переменной консервативностью. Их изложение в основном сосредоточено в разделе «Систематическая часть».

Научная новизна и значение материалов и осиовиьп положений диссертации. Выдвигаемые положения обоснованы сравнением определенных экспериментально и опубликованных в доступных электронных базах последовательностей рРНК. Экспериментально определено более 40 почти полных последовательностей рРНК малой субъединицы, многие из которых принадлежат видам, занимающим ключевое положение на филогенетическом дереве. Оригинальные данные охватывают 19 типов многоклеточных (губки (Porifera), пластинчатые (Р1асогоа), Огйюпесйёа, брюхоресничные черви (Саэ^-оЫсЬа), колючеголовые черви (Асап1ЬосерЬа1а), приапулиды (РпариПёа), КтогЬупсЬа, круглые черви (ТЧетаЮск), волосатики (КегшйотогрЬа), членистоногие (АпЬгороёа), КатрЮгоа) и одноклеточных (воротничковые жгутиконосцы (СЬоапо£^е11а1а), микроспоридии (М1сго5рога), споровики (Эрогогоа), церкомоноды (Юнгапа), криптофитовые (СгурШрЬуга), центрохелидные солнечники (СепЬоЬеИДа), лобозные амебы (АтоеЬогоа), гетеролобозные (Нйего1оЬо5еа)). Полный список экспериментально определенных последовательностей приведен в разделе диссертации «6. Материалы и методы». Множественное выравнивание последовательностей и их структурный анализ основаны как на предложенных ранее моделях вторичной структуры, так и скорректированных в настоящей работе. В частности, все модели в «Общей части» представлены оригинальными рисунками, построенными с учетом допущений, перечисленных в тексте диссертации.

Полученные в работе последовательности использованы в разработках таких важных вопросов филогенетики беспозвоночных, как установление родственных отношений одноклеточных эвкариотов, в частности, амебоидных организмов, поиск сестринской группы многоклеточных животных, определение положения низших Мйауоа (Р1асогоа, Меэогоа), разрешение базальной радиации в типах круглых червей и членистоногих и разработке других вопросов. Их вклад играет решающую роль в разрешении крупномасштабной филогении Ыета1ос1а.

Новизна представляемых результатов не ограничивается только новыми экспериментальными данными, но и включает разработку новых подходов к сравнению последовательностей, в частности, адаптацию к молекулярным признакам кладистических принципов В. Хеннига - наиболее мощного эвристического метода в филогенетике. Применяя этот подход, удалось решить важную филогенетическую проблему - установить

сестринскую группу Bilateria, чего не удавалось сделать с использованием традиционных средств.

Анализ распределения синапоморфий по филогенетическому дереву привел к установлению переменной эволюционной консервативности филогенетически значимых сигнатур и адекватному описанию их эволюции в терминах прерываемого равновесия Предполагается, что соответствующие признаки являются условно нейтральными Их учет может быть полезен для уточнения вторичной структуры нативной РНК в рибосоме, выявления ее функционально важных участков, например, сайтов взаимодействия рРНК с лигандами, хотя проверка этих предположений не входила в задачи настоящей работы.

Апробация работы. Материалы диссертации неоднократно докладывались на семинарах отдела эволюционной биохимии НИИФХБ им. А.Н. Белозерского и кафедры зоологии беспозвоночных биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, на симпозиумах Российского общества нематологов (1997, 1999, 2001, 2003, 2005), Ш Европейском конгрессе по протистологии (1999), IV Международном конгрессе по нематологии (2002), Ш съезде Вавиловского общества генетиков и селекционеров (2004), конгрессе FEBS (2004), V Совещании по кариологии, кариосистематике и молекулярной систематике растений (2005), Ш съезде общества биотехнологов России (2005).

Структура диссертации. Диссертация представляет собой рукопись объемом 311 с, включает 6 таблиц, 8 3 рисунка и список цитированной литературы - 591 название.

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПРИЗНАКОВ В ФИЛ ОГЕ НЕТИКЕ

В главе обосновывается актуальность использования нуклеотидных последовательностей в филогенетюсе как источника наиболее массовых данных для построения филогенетического дерева и как независимого способа проверки выводов сравнительной анатомии о закономерностях морфологической эволюции. Обычная практика сравнительно-анатомического исследования состоит в выстраивании трансформационных рядов форм, а затем ориентации их на основании априорных соображений, таких как гипотеза о прогрессивном развитии1, олигомеризации гомологичных органов2 и др. Палеонтологические свидетельства также не могут претендовать на роль прямых филогенетических доказательств, потому что представляют собой реконструкции, выполненные с привлечением определенных теоретических соображений. Они бесполезны для нужд крупномасштабной филогенетики: в истории зоологии имеется множество примеров, когда современный вид бывал перенесен из одного типа в другой ввиду обнаружения признаков анатомии мягкого тела или особенностей личиночного развития,

1 Беклемишев В Н (1928). Методология систематики. М: КМК Scientific Press Ltd, 1994. z Догель В А Олигомеризация гомологичных органов как один из главных путей... Д.: Изд-во ЛГУ, 1954.

поскольку типы устанавливаются не по внешнему сходству; однако как раз такого рода данные обычно недоступны при исследовании ископаемого материала. Даже если прямая предковая или переходная форма будет обнаружена как окаменелость, совершенно непонятно, как будет распознано ее значение. Указанные причины носят общий характер и не связаны с «неполнотой» геологической летописи. Гипотетичность традиционных представлений об эволюции намного больше, чем кажется стороннему наблюдателю. Это подтверждается происходящей в последние годы ревизией филогенетических отношений крупных групп, утратой доверия к гипотезам, которые ранее практически не подвергались сомнениям (например, монофшши членистоногих и кольчатых червей (Articulata), родства круглых и брюхоресничных червей и др.) и распространением нетрадиционных гипотез об эволюции типов (концепции Lophotrochozoa, Ecdysozoa, Ambulacralia и др.).

Ввиду существенной методической независимости, даже тривиальные заключения кладистики и молекулярной филогенетики не лишены интереса. Они позволяют выйти из логического круга, когда об эволюции морфологических структур судят по дереву, построенному на основании гипотез об эволюции морфологических структур. Молекулярная филогенетика привлекает данные по множеству генов, но пока только сведения для единственного гена - РНК малой субъединицы рибосом (18S или SSU или léS-подобной рРНК) доступны для большинства классов многоклеточных животных. Иногда молекулярная филогенетика подвергается критике за будто бы допускаемую логическую ошибку незаконного распространения добываемых ею выводов о «филогении» генов на филогению видов. Это было бы справедливо, если б гены были способны эволюционировать вне организма. Для большинства ядерных генов это невозможно, в первую очередь ввиду требующихся межгенных ковариаций. Для генов рРНК, кроме того, снята в большинстве случаев и проблема паралогов ввиду согласованной эволюции повторяющихся в геноме рибосомальных оперонов1. Следовательно, филогения даже единственного гена, поскольку она установлена правильно, полностью описывает филогению соответствующих видов. Другое дело, что она может быть реконструирована ошибочно. Ошибки реконструкции связаны с несколькими причинами как общего, так и частного характера. Легко представить, что в рамках одного гена для некоторой ветви филогенетического дерева (клады) может не существовать синапоморфных признаков (ввиду кратковременности существования стволовой группы либо уничтожения таких признаков последующими мутациями, либо ввиду независимой фиксации таких же мутаций в других линиях), поэтому представители клады не могут был. распознаны по данному гену. Компьютерная программа, которая выводит дихотомическое дерево, относящиеся к таким кладам виды распределит произвольно и, весьма вероятно, — ошибочно. В случае другого гена какие-то другие клады

1 Доувер Г и dp Динамика эволюции генома и дифференщфовка видов / Эволюция генома. М.: Мир. 1986

(узлы истинного дерева) не будут поддержаны молекулярными синапоморфиями и поэтому будут реконструированы ошибочно. Эта общая причина - недостаток синапоморфных признаков (то есть отсутствие в любом конкретном гене синапоморфий для каждою узла филогенетического дерева), а не «горизонтальный перенос», приводит к различиям в топологии деревьев, построенных по разным генам, каждое из которых содержит ошибочные элементы. Логическая проблема перехода от «филогении» отдельных генов к филогении видов и от «филогении» нескольких генов к «филогении» целых геномов заключается не в более охватывающей характеристике последних, а в необходимости отличать истинные группировки в сконструированных деревьях генов (всё равно, моногенных или полигенных) от ошибочных, обусловленных не синапоморфиями, а другого рода «сходствами». Эта проблема вряд ли решится простой заменой на входе компьютерных программ одного гена рРНК малой субьединицы на тысячу разных.

В главе разбираются различные методы построения деревьев по молекулярным данным (дистанционные, максимальпой экопомии, максимального правдоподобия, минимальной эволюции и другие) и способы оценки по молекулярным данным достоверности филогенетических гипотез. Рассмотрены параметрические и непараметрические методы оценок, такие как метод псевдовыборок. Приведены примеры построения деревьев разными методами и оценки достоверности их узлов, иллюстрирующие зависимость результатов от выбранного метода и таксономической выборки. Поведен анализ реальных и мнимых трудностей при реконструкции деревьев по молекулярным данным и наиболее важных источников ошибок при таких реконструкциях. С разной степенью подробности проанализированы «горизонтальный перенос», наличие паралогов, проблемы выравнивания, проблема укоренения бескорневых деревьев, проблема недостатка филогенетически информативных признаков и ошибки, зависящие от неадекватности гипотез об эволюции нуклеотидных последовательностей (недоучет ковариаций, ошибочные параметры в моделях молекулярной эволюции и др.). Из последних особо выделена проблемы «притяжения длинных ветвей»; разобраны возможные причины неравномерности молекулярной эволюции, приводящей к появлению «длинных ветвей», перечислены подходы к обнаружению обусловленных ею эффектов и проанализированы способы исправления артефактов «притяжения длинных ветвей».

3. ЭЛЕМЕНТЫ МАКРОМОЛЕКУЛ КАК ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКИЕ МАРКЕРЫ

3.1. Признаки крупных таксонов не подчиняются простым правилам «нейтральной эволюции»

Анализируются свойства, которыми должны обладать молекулярные признаки древнего таксона высокого ранга, субтаксоны которого существуют, например, с кембрия до

наших дней. Очевидно, их общие признаки (если таковые вообще сохранялись от общих предков) не должны разрушиться нейтральными мутациями за время 550 млн. лет с кембрия, как это происходит с последовательностями вариабельных участков за несколько миллионов или десятков миллионов лет. Значит, признаки древних таксонов не являются нейтральными? И не значит ли это, что признаки, которые маркируют типы и классы, эволюционируют по другим законам, нежели признаки низших таксономических уровней, и что молекулярная биология позволяет провести пресловутую границу между микро- и макроэволюцией? Или признаки таксонов высокого ранга адаптивны? Но в таком случае трудно представить, в чем может состоять адаптивное различие в макромолекулах, выполняющих неизменные клеточные функции, а если различия адаптивны, возникает новый вопрос о вероятности конвергенции по этим признакам.

3.2. Кладиетический анализ молекулярных синапоморфий как способ размещения «длинных ветвей» на филогенетическом дереве

Своеобразные отличия первичной или предсказываемой вторичной структуры макромолекулы позволяет идентифицировать представителей того или другого таксона. Общеизвестным примером являются признаки эвкариотических, эвбахтериальных и архебактериальных рРНК1 с той, однако, поправкой, что в этом случае неизвестно, какое состояние предковое, а какое апоморфное. Наличие специфических признаков (синапоморфий) в анализируемой последовательности указывает на ее принадлежность к определенной кладе, даже если многочисленные замещения в вариабельных областях не позволяют с определенностью установить ее положение на дереве вследствие артефактов, вызванных притяжением "длинных ветвей" или недостатком филогенетически информативных признаков. Например, генетические расстояния, измеренные по полным последовательностям гена 18S рРНК нематод рода Pelodera (Nematoda, Rhabditida), превышают обычные расстояния между различными типами беспозвоночных животных: так, расстояние между 18S рРНК P. strongyloides и P. teres превышает более чем в три раза расстояние между генам 18S рРНК некоторых других нематод и кишечнополостных. Тем не менее в рРНК P. strongyloides присутствуют структурные элементы, специфичные для Nematoda и специфичные, в частности, для Rhabditida и отдельных субтаксонов Rhabditida. Таким образом, отдельные элементы первичной и вторичной структуры могут быть хорошими филогенетическими маркерами, особенно полезными для определения положения видов с быстро эволюционирующими последовательностями.

1 Winker S„ Woese C.R. 1991 A definition of the domains Archaea, Bacteria and Eucarya m terms of small suburat ribosomal RNA characteristics // Syst. Appl. Microbiol. 14(4): 305-310.

33. Признаки с переменной скоростью эволюции

В рРНК имеются нуклеотиды, неизменные почти у всех живых существ. В других консервативных (предположительно функционально важных) сайтах мутации фиксируются, но с низкой частотой. В этих случаях не составляет труда распознать плезиоморфное состояние: оно массово представлено во всех основных таксонах, и апоморфное состояние -то, которое наблюдается у отдельных видов или групп в составе тех же таксонов, где встречается также и плезиоморфное состояние.

Например, мы с соавторами исследовали распределение на филогенетическом дереве двух относительно редких мутаций: транзиции A->G1195 в петеле шпильки 351 и трансверсии G->T1601 в петеле шпильки 48 (нумерация остатков по гену 18S рРНК Enoplus brevis (Nematoda, Enoplida), ГО номер U88336 в GenBank) (Рис. 1). Эти нуклеотиды входят в состав Р-сайта рибосомы или приближены к нему. Указанные замены фиксированы на выборке из более двухсот генов 18S рРНК нематод соответственно один и два раза и представляют собой наиболее надежные синапоморфии отряда Enoplida в пределах 18S рРНК, проявляющие наименьшую степень гомоплазии. Среди примерно четырехсот проверенных

СМОЛЯМ-АШЬ AF100M2 МГНАГТОМ^га^фМСГС^^ ТEGA?CAГТSCAATTATTGCTfCAACGАССТАТТИ^ъТАА^бССАСТед^^ССТТОг'.СТТЗ

ANNEDOA. Glyeem, IM 9819 ATT? САСТ CAACACGCCAAAACTCACCCGGCCCG GACACCSTAA 7Т2<Мвф",^ЛАТТАТ'Й^САТСААССАССААТТССС^^ С TCGCGTTO

ROTtFERA. ВЛЮЫОШ, U28236 ЛТТТСАСТСААйКХ<ИАААТСТСАСCCGOCCCGGACACTCTAA TCCSqaOtTäAAATTAAÖCTCCC3TTG

ОАвТЯОТШСНА. СШ*ОПОйЛ АЯХИ7Э5 Л7ТТ6АСТСAACACGGCAAAACTCAC CCGCCCAGGACACX^ïTAA ?TCAGCATTSTAAC7ATTGCTCATt^ACGftGgAATTCt^>GTIJ>SCSCC^ST CATAACCTTGCGTT G

PRUPUJQfc. AJaptfb*.X*78M АТТТСАСТСААЖСбвАААТ(ЖСССС(ЛШ»Эи»СГ(ПМ ?*«ЙШ1ТТ«аАТТАТГ?СССТРЗЦС&и^

ЫЕМАТОМОЯРНА ОопЛЛ, UM337 ATTI«ACTCAAC)CCG(»AAACTC?m:OK ТЛСОЫАТТСТМГТАТТТСССТТСААССКИ^ГГ^^

СНйОМАООКМ. ВештоОог», YIMU АТТте»стсАм:м:обс*мцстсасссаоссссдАг^^ ?»аасыгнямп»агпсссгггм1ы

РзтсалвюлсЛи*, ATD47SM Аттто>стсл»ассссА»м>я<асссбюсссодоцстс^. татс6^птосааттд|т п гглп г<^селйСДАТ?сеслотАЛ<ггО'гажтсАУААастса^^

Chmnmdoœpïs, AF0*796^ АТТТвАСТСМкСАОЗввАААЛСТС«^ TW?06M1TrSCMTTAtrn:a'tT»»CSAfiCW^^

Oeçtomtm АПМ78ЯВ mTOU^CAM^CCGOWWCTCACCCSGCCCSeKCMfiOTM TCOGS>tCTTOCAAWCTCftSCCTTSAACSAS6MTTCCgtCTMfffOCüftSTCA^Qt9CTCGOGCTC

PMut, АГ098ВМ ATTTQkCTCJOCAÇgCCAWACTCACCCgGCCCOGACA^torM ТСОСеМкТТвСМГГЛТГГОХТТОАЛСШ^^

&т*юв(атв,2яш$ atttgactcaac*ccü<saaaactcacc?ggcccggaca<

Aaoerta имэв7 Атттдигга№с*сс«ААл*стс*а^<^^ тсзсвАхттеаинтАтггсссттсмс»

UetoiOogyne, U42342 ЯТГГСАСТСМСАССб^фААСТСАСССв(^СвСАСКТвТаЛ. TC3ÛAAATTОСААТТАТГТТССаТаААСОМСААТТССААОТХАТТ

-*- Zafafc, интво АтттаадтсААСАСОвфрААСтгасса^^ тсжслмтт<кааггАттсоггеАлсалбсм т тоуотwttocgagtcr^:

Mworfwöd», Ц7Э452 ктггаксталемпаош^ек^ссахсеоакситютАЛ т*ОССААТТ«СААГГ»т1

Hù$ftmchu$, UK193 АТТТ(Ш7ГСЛЛСАСЗОСАМЛС?САССС<ЮОССОвЛСАЯэТАД TAlîûGAATTOTAATTATTT СССТТбА*ССА03АЛТТСф

-*- СЫПаЬаЬОШй, Х0Э6М АТГГ(ТАСТСААСАСОйСЛАААСТСАСССаТГССЬОАГУ^>3*ТТА ТАв017ТАТТОТДА"ТАТТ1КССТТАААГОЯвЗКАТ(

ГГМОТСТОЮТСА* ГАлзтатвАДТСА«

РОЯУ1АШНА. Lonyddfua, Affneaw ATTTGÄCTC AACACGGGAAAACTC^XSSCfTÂÎACAadSTAA ТAfiGßAATTGCAATTATTTCCCTTGAACGAfiOAATT(ХСАСТAAATGCGGCTCATAAGCTCGCCTTfi

ХДОют» AP0S6610 ATTT9ACTCAWATW^ААААСТГАССС??^ХХда»АСА1^С177AA TV?<X>AATTOCААТ1"vmtyyjf »AAW;AOKAATTCCCA£7TAA*TGC<53GTCATAAftCTСГТТ1-

Uyienehuka АРвэоввв лтоктсАжсАа^филстслс^^ T*œÂTT«WT-mecccrrauu^^

khfma Af036641 АТТГ<У^СТСААСЛСвС<ЗАААЛСТСАС<ХИССААСАСАСААТАА САйС^ПбСМПМТКССТТСАА£бАбСМУТТ<@ЮСМСС^^

TncNneto U60231 лтт^лстсаи^с«ку\мастсасссь^^ тложалттосмг or ггссст гоАлсжлссщттссс^А«кУ>дц;тсастмстсасстт^ Tr&HJrie Afmm

ATTTCACCAAC ftCCC GAAAACTCACCCCtfTCCGAACACT GTGA GAGGGAATTCWATTÄT T7CC - ТССЛАССAGGAATTCCCACTАЛеССГОАСТСА"!£

И01 ATTTÛAC7CAAC ACSG^^AACTCACCCSCCCCeCACACTGTA*. ATTreACTCAACA.-GGCAAAACKJWCASGCC«K^J^^ A?TTQACTCAACACGGGAAAACTCACCC-3GCCCGGACACTGTAA ATTTSACTCAAC^OCGAAAACTCACCCSCCCCGCACAi^CTAA T^CQWTl^XMT г^ГТГССС nGAACgA^AArrer^^ TTSTCAATTOCA* TTATTTCACATiSAACCACailATTCI^lCTAAfiTCCGACTCAli tftSGgmTTCCftATTAf TT CCCT T 6A*CCACCA>TTCCCACTAAgT0CGGCTCATj{ kSCrCCTGCT« IGCTRCTTCTC iCCTCCCCCTC

ÊNOPlOA' AdOKtnUmvi ARÖMtf ATTTflACTC'

Ponioneme AFMTBto ATrracîcj

MMto, AFS2M37 ЯТТТВДС^О Спвр*Д,УШИ4

- ВпорИя U8S336 AJTTÎACCI

а не 35

б - <г -äuuügaCuc agggcacaA

TTSOTOöCÄCACTCTM ТТ«ХЙГСТетАА--ЛТ-*$ХХА1

:ACTTC3rCACCACÄCTCTAÄ TTSiMAqrTCTAATTArrTœCATGAACCAbSAAI

3WCC«»C«iq3TM CAa^SqrTCTMTTAr^tCCTTStaCGNSUATTC

isecccsascisödewyi TMWlHMi I цсмттетт|№ссттомсйлс<ц*гт(

:ACCCSGCCCOCACAdCfcTAA ГАСССАТТТССААТ'КТГТ'ХГТГКААГСАайАА'

............... ............• ».

00 GC

ACUOUOAQ

_ecA

UUGCACUC.

5»4

'П «.CTTÇ

U*0u 0

AQCGGGGG «

вииоиоиец aC<-

Рис. 1. Локализация сипапоморфных признаков в 18S рРНК Enoplida.

а - фрагменты выравненных последовательностей гена, б, е- модель вторичной структуры шпильки 35 Caenorhabditis elegans и Trefusia zostericola; г, д - модель вторичной структуры шпильки 48 С elegans и T. zostericola

' Здесь и далее нумерация элементов рРНК по Wuyts J etat 2000 // Nucleic Acids Res 28(23)- 4698-4708.

последовательностей насекомых такие же замены обнаружены у двух неродственных видов (сверчка и короеда). Примерно с такой же частотой, как среди нематод и насекомых (полпроцента «на кладогенез»), эти замены обнаруживаются и в других сегментах базы рРНК, включающих вцды остальных многоклеточных животных, грибов, высших растений и одноклеточных эвкариотов. Очевидно, так вычисленные частоты не имеют ничего общего со средними частотами или соотношениями транзиций и трансверсий по всему гену, используемыми для измерения генетических дистанций. Интересно, что фиксация одной из указанных мутаций повышает «вероятность» фиксации другой, так что обычно более редкий признак О1"5 присутствует одновременно с признаком Т1601.

Некоторые вариабельные участки, по-видимому, образуют в макромолекулах рРНК консервативные элементы вторичной структуры: петли или короткие внутримолекулярные двойные спирали одинакового размера, например, спираль 17 в области УЗ. Можно выделить два основных (представленных большим числом видов) предсказанных варианта организации шпильки 17 и некоторое число редко встречающихся вариантов. Один из основных вариантов встречается у различных одноклеточных, высших растений, грибов, "низших" многоклеточных (губок, гребневиков и кишечнополостных). Он характеризуется симметричной апикальной частью длиною 10 нуклеотидных пар. Второй вариант выявлен исключительно у двустороннесимметричных животных (В1Шепа)'. Он отличается вставкой «лишнего» нуклеотида в определенное место спирали (Рис. 2). Добавочный нуклеотид -обычно в, реже А, располагается в одном и том же месте в моделях спирали 17, то есть позиционно гомологичен у разных видов. Новая конструкция спирали 17 из «10!4» пар в апикальной части почти столь же эволюционно стабильна среди В1Ыепа, как и конструкция из 10 пар за их пределами: она распространена у позвоночных, членистоногих, моллюсков, иглокожих, плоских, кольчатых червей и других животных. Очевидно, спираль 17 длиною 10 нуклеотидных пар в апикальной части представляет состояние, предковое (плезиоморфное) для МеЬаоа. Добавочный нуклеотид внедрился в ген рРНК общего предка двустороннесимметричных животных и наследовался представителями современных типов, то есть представляет собой синапоморфию, доказывающую их монофилию.

Таким образом, «универсальная» модель рРНК на самом деле не обладает всеобщностью. В некоторых филогенетических линиях консервативные элементы принимают своеобразную форму, которая выдерживается у родственных видов. Существование альтернативных состояний различных элементов рРНК можно интерпретировать так, что в какие-то моменты истории консервативный элемент вдруг потерял консервативность, изменился, а затем вновь стал консервативным, но уже пребывая в измененном состоянии. Короткий временной промежуток нестабильности трудно

' Алёшин В В идр 1999. Вторичная структура шпильки 17 . . // Молекуляр биология. 33(2)' 319-329

и А и у ии ад

ссиилидс ис

........ ■— - - ................. свил

с-а ...........

А и с

а С СВ -' ... д и - •

св св

В-С .....С:«....

1 1 с и 1 1 ц

■м

ее А и

. и.-А..

1 Е 1 а

и и А-и

В с в С

се с-а

а а а е

/ \ / \

Ы1е Т|к*юр

--И----М41ет.........-........№

6 С АО ДО ли ЕС ...И.А.......Н.А.....« А .. ..«.А....................и-А .

и и М ¿ и ¿ иА

......... ......А-и

св

А В / \ 3<9Р1»

"двуслойны*" млн "радиальные" жмвотньм ВНВШННа грщпы ("0|Р1.0|||_АвТ1С А" ш> НАО ит*-)

ди ид и и и и

"Е'-'ё".......с-е "

и-а и-а с-б С-6 I "ШТа"1"В" а С а-и □ с а а ВЦ в-С

типичны* для двуеторонн*еимм*трнчных животных (в i i. а т Е в i а ] структуры шпильки 17

Рис. 2. Вероятная вторичная структура шпильки 17 в рРНТС малой субъединипы.

наблюдать, но его необходимо постулировать, чтобы объяснить изменение консервативных структур, которые, таким образом, представляются скачкообразными.

3.4. Градуяльность возникновения дискретных состояний

Сохранение неизменной вторичной структуры РНК при вариабельности первичной структуры возможно за счет компенсаторных мутаций1. Конечно, компенсация возникает не из-за целесообразности мутаций. Просто нейтральными (а только они могут сохраниться) оказываются редкие двойные мутации. Но одновременная двойная мутация - событие очень

1 ГоеаеСД е! а! 1980 // №с1е1с Аой ЯеБ 8(10)-2275-2293\NollerHF его/ 1981.///6 9(22)'6167-6189, GuteaK.lL. е!а1. 1992. //Я. 20(21): 5785-5795.

редкое'. С этим, очевидно, в связана консервативность соответствующих областей рРНК. Очевидный способ компенсации уотсон-криковских пар заключается в использовании переходного состояния в виде пары GU. Он непригоден для мутаций типа GC <-► CG и GC <-> UA В качестве переходной стадии здесь могут выступать несовершенные спирали. В основе такого способа компенсации лежит фундаментальная теорема теории нейтральности о том, что слабо вредные мутации в любой популяции конечного размера при некотором вполне определенном значении коэффициента отбора s ведут себя как нейтральные2. Если длина спирали достаточно велика, одна или две мутации, нарушающие комплементарную пару, могут не снизить стабильность спирали ниже необходимого предела и таким образом окажутся нейтральными или слабо вредными. Но любая последующая мутация, если нарушит комплементарность еще одной пары, приведет к «фазовому переходу» -расплетению спирали в целом. Теперь нейтральными (или слабо полезными) становятся только компепсаторные мутации3 Таким образом, изменить комплементарную пару в спирали за две мутации - преодолеть пропасть между двумя равно адаптивными состояниями - можно двумя способами. Первое, использовать «обходной путь» в виде допустимой пары GU или же, второе, преодолевать пропасть «в два прыжка»: использовать предшествующий запас прочности длинной спирали, предварительно довести ее почти до полного развала и пожертвовать всеми последующими мутантами без компенсации. Дестабилизированная переходная структура (несовершенная короткая спираль) вряд ли долговечна. Ее стабилизация должна происходить быстро в результате обратной или компенсаторной мутации, которая представляется «двойной». Вновь фиксируемая мутация связана с фиксированной ранее не только характером замены (восстановлением комплементарной пары), но и скоростью: тогда как фиксация первой мутации может быть редким, «медленным» событием (определяемым скоростью дрейфа), вторая мутация фиксируется очень быстро как селективная. Такая неравномерность очень напоминает «прерываемое равновесие» в видообразовании, ранее известное для морфологических признаков и наиболее известное по наблюдениям в палеонтологических рядах4. Согласно теории нейтральности, селективность аллеля зависит не только от физико-химических свойств кодируемого белка или РНК, но и от эффективной численности популяции. Один и тот же аллель будет вести себя как нейтральный и сможет распространиться в одной популяции, а в другой - большей по размеру - станет вредным (только ввиду увеличения размера популяции). Некоторые мутации, распространившиеся и фиксировавшиеся как нейтральные в условиях низкой численности, например, в изолятах на краю ареала, при

' Спенсер Г. Основания биолопш. 1870.

2 Кимура М Молекулярная эволюция: теория нейтральности. М.: Мир. 1985

' Hancock JM, TautzD, Dover G А. 1988. //Mol. Biol. Evol. 5(4). P. 393-414.

4EldredgeN. GouldSJ. 1997. On punctuated equilibria//Science 276(5311)-338-341.

возрастании численности (например, при соединении с большей материнской популяцией) становятся вредными и смогут удержаться только при наличии дополнительных компенсаторных мутаций, для которых, таким образом, появляется некоторое время. Так теория нейтральности оказывается важным дополнением для объяснения селективных процессов в эволюции. Конечно, сравнение рРНК представителей разных отрядов или типов не выявляет деталей популяционных процессов и порядка фиксации ковариаций.

Несмотря на существование механизмов коррекции нарушений вторичной структуры, многие элементы рРНК не строго единообразны, а присутствуют в разных таксонах в альтернативных состояниях. Причина этого заключается в том, что роль нуклеотида в рРНК не ограничивается созданием спиралей. Сами элементы вторичной структуры, как и консервативные мотивы последовательности, нужны для экспонирования (или экранирования) определенных остатков в целях их взаимодействий с лигандами', и можно представить, что возникшие в одной спирали рРНК возмущения могут компенсироваться мутациями не в данной, а совсем другой спирали.

Например, большинство видов бескишечных турбеллярий (Acoela) характеризуется включением в спираль 43 остатков, первоначально входивших в спираль 42 и однонитевой участок меаду спиралями 43 и 44, которые из-за этого укорачиваются (Рис. 3). В типичном случае (за пределами Acoela: у большинства многоклеточных и одноклеточных эвкариотов) шпилька 43 имеет весьма консервативное основание. Оно образовано на 5' конце мотивом CCURYYAAAU, где остатки 4, 8 и 9-й неспарены, причем 4-ый представляет собой «выпячивание» (bulge) - т. е. ему нет противолежащего нуклеотида в 3' ветви, комплементарного или некомплементарного, а остаткам 8 и 9 противостоят два некомплементарные остатка в У ветви (т. е. они образуют внутреннюю петлю в спирали). Т. о., основание стебля 43 представляет собой последовательность коротких спиралей и внутренних петель: 3 п. н. - 1 н. (R) - 4 п. н. - 2 н. и далее - вариабельная апикальная часть. Такое типичное строение сохраняется и у Acoela - в единственном роде Paratomella. Структура этой области Муореа кажется переходной: в ней возможно включение в спираль 43 дополнительной нуклеотидной пары, для которой один нуклеотид импортируется из спирали 42, при одновременной компенсации длины спирали 42 за счет остатков с противоположного фланга - исходно составлявших одноцепочечные петли2 (Рис. 3: 2). Включение соседних остатков в спираль 43 у Acoela подтверждается их компенсаторными мутациями (ср. последовательности Convoluta naikaiensis D85099 и Amphiscolops sp. AJ012523), а также компенсаторными мутациями другого типа, которые рассматриваются ниже. В результате включения импортированных нуклеотидов в «новую спираль 43»,

1 Leoniis NB, Westhof Е 2003. Analysis of RNA motifs// Curr Opin Struct Biol 13(3)'300-308.

2 На самом деле структура этой области Paratomella тоже «переходная»: «неспаренный» адениловый остаток на границе спиралей 42 н 43 может входшъ в любую из них в составе неканонической AG пары.

ле ^ I6

а *сси и и иисААиибА8иААСбидб Ауе*да " в сЕвЁи деле д бДдШцййбшши^ибСби с

7а

' А

б Б

7Ь

с с А

5 Аисии С иа^иСуАА^ДАув * ААииСАСи

^ цСёеД&и Л6Б АёАйисиисАСдддсииАБеиеи д

АрбвяаяШта мйгвгсвп* А^125?8 АСОЕ1Л

А* С & и А

и и

В А А А

АтрЛксо/орз ер. АЛ312523 АСОЕ1_А

/ 'Л®4

- бСС^ЦАД^Аб^Ч

!Р. В

АВ. 42 V ~ 43

иМС ССссАцщддАидАид А иивисдси С У^ВАБц 6Е АБАйй^исАиддААСбВйВц дя

А6 "А А 6

С Аяарвтз Лъелвтавя*/» АЛ 02398

V у*

А 7*

СШУОМВ »аНчюааыв ОВЭЭВ1 АСОЕЬА

и*

А А

А и

аа

6"вАсда те...

4 " «

И г ггп г I

°А А

А^А и А

АА0*и

АСОЕЦЧ

• си.

и а, иСЁЁд^цйААийбв

ссси Си АА ^ ВбВАвАййг

д д Муореа ар. сГ. сеЛаешя АУО^ВЗВа 6 ~ АСОЕ1А

ж» V* %<?

А ввО-

А в

в и

СССЦА и ссиАсимАЦАвшАсвибшриА

Вввдй БвА алийо/СА^^САСААв в С

ГгкЛор/ог ар« 222713 Р1АС020А

М С «

исс^ ^ сиА в

„вби,. ¿кв. всАомм^иис«4]<осивсввсива

* цн ()

а 4 ил' >_ • •

ВИЛТОНА. УЕЯГТЕВМТА

5- 6 А 42

васссса

вАССССА " ССи"ШААжиА6Ц66 -СЫСССЦАС 6 си66Еви ЁЕА вАйи^йСЁЁйцдШвбАиб с

РагяйшявЛа гиЬга АР102892 АСОЕ1Л

Рис. 3. Морфологический ряд преобразований спиралей 42 и 43 в рРНК Асое1а.

Тонкие стрелки указывают направление преобразования, короткие толстые стрелки указывают изменяемый элемент: 1 - потенциальная возможность удлинения спирали 42,1' - реверсия; 2 -включение дополнительной пары в основание спирали 43; 3 - трансверсия 1»А в консервативном сайте спирали 43, нарушающая комплементарность; 4 - инсерция дополнительного нуклеотида в одноцепоченчную петлю между спиралями 42 и 44; 5 - трансверсия в консервативном сайте спирали 43, приводящая к включению в комплементарную пару исходно неспаренного нукелотида, 6,7, 8- автоапоморфии А \nrescens и А Ьнхегттпеп$1з.

неспаренный пуриновый нуклеотид Муореа оказывается в ней пятым по счету от основания, а не четвертым; можно предполагать, что именно это событие инициировало точковые мутации, перестроившие основание «новой спирали 43» со смещением неспарснного пуринового нуклеотида в более характерное положение. Четвертый нуклеотид «новой спирали» - исходно консервативный пиримидинсодержащий, переводится в неспаренное состояние благодаря трансверсии U->A (Рис. 3: 3), в результате указанный выше мотив CCURYYAAAU превращается в CCAAYYAAAU (Convolute naikaiensis, Aphanastoma virescens). Затем пятый, исходно консервативный пуриновый нуклеотид заменяется на U (Рис. 3: 5), мотив превращается в CCAUYYAAAU, что приводит к перераспределению спиральных и однонитевых участков в стебле шпильки 43 к виду, характерному для большинство Acoela: 3 п. н. - 1 н. (R) - 5 п. н. - 2 н. (Рис. 3). Эти мутации в определенном смысле компенсаторные: они, правда, обеспечивают не сохранение уотсон-криковской пары в спирали (как постулируется для наиболее известного типа компенсаторных мутаций), а наличие неспаренного пуринового нуклеотида вблизи от основания шпильки 43.

Можно предполагать, что описанный процесс начался с двух очень редких транзиций в сайтах, фланкирующих спираль 42, и свойственных Paratomella и Муореа - современным представителям филогенетически наиболее ранних ветвей бескишеных турбеллярий'. Эти замены теоретически позволяют включать в спираль 42 нуклеотида со стороны спиралей 38 и 39, и могут представлять собой «преадаптацию», допустившую (сделавшую нейтральным) благодаря своеобразной компенсации выделение дистальных нуклеотидов с другого конца спирали 42 для шпильки 43, описанное выше. У Paratomella максимально возможная длина спирали 42 возрастает до 7-8 п. н. против типичных для Bilateria 4-5 п.н. Нет оснований считать, что такая структура реализуется в рибосомах Paratomella, но также и нет данных, отрицающих возможность включения некоторого числа указанных остатков в состав спирали 42, по крайней мере в некоторых состояниях рибосомы.

По-видимому, в эволюции Acoela происходила замена прямой компенсации длины спирали 42 за счет соседних остатков, которое предполагается у Paratomella и Муореа, на какой-то иной способ компенсации, в котором участвуют другие элементы рибосомы. В результате у остальных Acoela происходит возврат к первоначальной последовательности флангов спирали 42. Их спираль 42 укорачивается, притом даже сильнее, чем в «универсальной» модели рРНК - до 3 п. н. у Aphanastoma virescens (Рис. 3), крайнего члена морфологического ряда.

Казалось бы, делении и инсерции - это типы мутаций, которые не допускают компенсаций и «переходных состояний». Однако делеции могут компенсироваться за счет

1 Ruiz-Trillo I etal 1999. Acoel flatworms: earliest extant biiaterian metazoans, not members of Platyhelminthes 4 Science 283. 1919-1923, HoogeMD etal. 2002.IIMol. Phylogenet. Evol. 24:333-342.

соседних участков рРНК, как допускалось для спирали 42 Paratomeïïa и Муореа. Спираль 42, несмотря на высокую консервативность, оказалась в эволюции многоклеточных животных объектом нескольких преобразований. Выравнивание последовательностей 18S рРНК показывает, что у большинства многоклеточных произошла делеция двух соседних остатков, один из которых потенциально входил в З'-ветвь спирали 42, которая, таким образом, обязана укоротиться. Это подтверждается моделированием вторичной структуры этой области (Рис. 5). Но, если ориентироваться только на возможность образования уотсон-криковских и UG пар, для некоторых видов допустимы два варианта спирали 42. Например, в рРНК Trichoplax нельзя исключить формирования спирали «42» из 6 нуклеотидных пар, как во внешней группе и, очевидно, у предков многоклеточных (Рис. 4, Б). В отсутствие прямых экспериментальных данных такой вариант отвергнуть трудно, хотя, конечно, проще предполагать, что сходные по первичной структуре молекулы (с делецией двух остатков) сходны и по вторичной структуре (укороченной спирали 42), т. е. в рРНК Trichoplax реализован апоморфный вариант А. Тем не менее, допустимость двух способов укладки не позволяет исключить, что оба они реализуются, каждый в некоторой доле нативных молекул, в соответствии с константами их взаимного перехода. Следовательно, даже такие, казалось бы, несовместимые структуры, как имеющие различную длину (5 п. н. вместо 6 п. н.), могут иметь переходное «промежуточное» состояние в виде динамического равновесия между альтернативными способами пространственной укладки до «изобретения» более надежного способа компенсации. Этот пример иллюстрирует способ трансформации консервативной и, следовательно, функционально небезразличной молекулярной структуры.

41 39 42 43 41 39 42 «

AuUccd>^'1,k*ceAeAcccuA--il--cci/fcuA^euuAcGueuucu. Гссё^АсО^сссиди—CCIAUA/MVGUU^CSUSUUCUA

Дд/ЗвЦ. UÙG GGG^U GGAGAÙi^jjcÀ^ÛCACAAGif Ддрби "UG QOOAUS ОДАвАЦЦ^СА/^САСААвс*'

"В ЧЛл 4f VA]

^ li ** iê» 44

о в Oo

Рис. 4. Два альтернативных варианта вторичной структуры спирали 42 в рРНК Trichoplax.

На основании сравнения с моделями для других видов, предпочтительнее апоморфный вариант А.

Если формируется «длинная» спираль 42 в 18S рРНК Trichoplax, полное соответствие структуры этого участка с предковой невозможно, поскольку для конструирования новой версии спирали «42» требуется вовлечение в ее состав остатков, первоначально входивших в одноцепочечную петлю между спиралями 44 и 42, которая из-за этого укорачивается (Рис. 4, Б). На этом примере видно, что для сложных молекулярных признаков, таких как вторичная структура РНК, применимы закономерности эволюции, известные для сложных органов, в частности закон необратимости Долло.

и с ^в в |ибС^ 6ААС Аа:и1АА - ссиАруМАиА8ив6 и ЩЩвСАи лб бвАвии ББА бАйаа]1^^а^диива1Свии

V. жС \ ? «

6ААСВ АССШАА - Ш1вСиАААиАбии А С6С6ММ1С и —...... —----- В6А ¿Айиа|(1СМСсВВСвСиААвС

д^СсЗ1 I/ *СОШАЕ — СО^СиАА^АБСи АивиббАб& иА

«д С66А«Ж (К>А «АиишЦСвА(^^АССиССсА

Н 4 ч Б ^

ЕМВКГОРНУТА

А А В

Аицсс^ У Ассмм* ♦ ссАша^аюя асшюс" „ с«Дбии 66* вД1Ша^МЖи^ибССААВии

( * А

в о 44 МшпДОг деде пою ■ с СТЕМОРНОЯА

С 6 А II А и

" ¿в *

А^СС? *адс Асшм и шАэдцШши А

сшм и шгом^Авии ■ свивиис А ^аавАи Б&А вдШо/ШД^Ьъсмв ас

■Л ПА \ А

•-Щ л-

г V- и „и

I» С аАв 42

%АС ОЮ1А 6 СаАмАА^АВвАИА ЛИВ — АО«СииМММ1ии — ' ВАСМ^ ВВА САОР^иСЦЦЦ^иЦ^М«*^^^ А

К Ж

мпа

тлвогол- оитонЕстю*

ДА »

»»»саг1 ЛаэдААсаАш/иДБииЛС«сши|св

6 ВВАвАвА а ииивЦВаиОАСШС - ЕАИрЛ^^Лщ^АСв вкв*й1АхвАаАи бии0 в СуцОШШиивШШЖМКЕ ПЫ^ц^ЛЬдОвц^йСА 6вС&иШвСМ(; ' АаС п.1 Бв*

4ай

'Е-С.

<Л о-1

» А« „ ¿¡е.,

дЧУсс® С6АДс'

' с „ а

Ж*

I)!"

«р. шя мчхогол

II С АВ « «""соС 'дде и»« ссиАа№аиши1ииам11ивс - — --'-в ишд вел шшиаДОА£цАбсиеЕи н 5 л л

.)( I!"

41. ото ■МЕВОгОА*- ЙН0ЫВ020А

" Я А В «

лииса^ Ъа Аис"« ■ тЛши^липге асами:»!!

вел алииараю1А1яа1иББвс

ПЖ№ МЕМАТООА

" »А.

Аисиие - вссА*1шА/иАвяДА*ас«1АС|:в

ВИЛТЕЯШ АСОЕ1Л

и" с А В «

V: 'аА « смЛш^лш/^исПхи'с

сСАО^ вв^вАииСцЦСМссСССибсвВа}&В

41 Д | к; -И и

В&ЛТЕМА, УЕРПНВЙАТА

Рис. 5. Предсказанные два альтернативные варианта вторичной структуры спиралей 42 и 44.

Плезиоморфное состояние (вверху) наблюдается у грибов, зеленых растений, губок, гребневиков; синапоморфное состояние (внизу) свойственно кишечнополостным, Р1асогоа, Мухогоа, ЮютЬогоа, Огйюпесййа и двусгоионнесимметоичным животным.

3.5. Закон Долло для макромолекул

Кратко рассмотренные выше преобразования области У7 Асое1а дают пример необратимости эволюции: у видов с «новой спиралью 43» нуклеотидная замена, переводящая четвертый от основания спаренный пиримидиновый нуклеотид в неспаренный пуриновый нуклеотид (как это должно быть в типичной спирали 43) не приводит тем не менее к возврату в первоначальное состояние. Вместо типичной структуры 3 п. н. - 1 н. (Я) -4п. н. - 2н., «новая спираль» приобретает вид 3 п. н. - 1 н. (Я) - 5п.н. -2н. (Рис. 3)'. История перехода нуклеотида в основание спирали 43 оставляет след во вторичной структуре ее средней части.

Молекула рРНК - сложная структура, которая у разных видов и монофилетических групп отличается по некоторым признакам от «универсальной» модели (совокупности консервативных элементов вторичной и первичной структуры). Это происходит потому, что способы компенсации, сохраняющие функции рибосомы после мутаций, не исчерпываются восстановлением уотсон-криковских пар в спиральных участках, которое являются только наиболее известным способом. Совместное действие двух факторов: стабилизирующего отбора, выбраковывающего вредные изменения функционирующей структуры, и мутационного процесса, «изобретающего» различные способы компенсации, приводит к тому, что изменения консервативных (функциональных) областей рРНК все-таки происходят, хотя и не часто. Редкость фиксируемых изменений, в свою очередь, приводит к тому, что такие изменения оказываются специфичны для монофилетических групп.

Многообразие и относительную «неповторимость» фиксируемых изменений можно наблюдать в области УЗ рРНК малой субьединицы многоклеточных животных. Плоские черви, традиционно относимые или к «низшим» В11а1ела, или «низшим» врнаНа, обладают, по крайней мере некоторые их виды, шпилькой 17 типичного для Bilateria строения, с неспаренным гуаниловым нуклеотидом в 3' ветви (Рис. 2). Следовательно, все более молодые, чем плоские черви, эволюционные ветви В^епа, не имеющие этого признака, утратили его вторично. Например, неспаренный нуклеотид отсутствует в спирали 17 рРНК погонофор и вестаментифер. Но эта утрата связана не с делецией этого нуклеотида, которая перевела бы их в состояние, свойственное предку. У погонофор и вестаментифер для «лишнего» нуклеотида нашелся парный, и их спираль 17 состоит из 11, а не «10/4» пар в апикальной части (Рис. 6). Погонофоры и вестиментиферы - члены монофилетической группы, и синапоморфия (инсерция дополнительного нуклеотида, восставновившего симметрию) в спирали 17, подтверждает это.

' Т. о., неспаренный нуклеотид в 5' ветви Асое1а, кроме РагШотеПа и Муореа, позишонно гомологичен нуклеотиду, обычно спаренному, а гомолог консервативного неспаренного пуринового нуклеотида заменен на пиримидиновый и спарен Этот пример показывает, что моделирование вторичной структуры может в лучшем случае помочь процедуре выравнивания (установления позиционной гомологии), но не способно ее заменил.

СМЮАГОА УЕЯТЕВЯАТА РСЮОМОРНОЯА & УЕЭТМЕЫПРЕНА АСАЫТНОСЕРНА1А ЫЕМАТООА

„и о ии Аи ии ии .

и с и С и С л и А А

"Л_з _ч а ч & ¡з ^

1 I | I ^

Ей й! р р

№ Ь ы Ь §а

АЧР АЧГ АЧ) АЧГ А-и

ц № №

а и 7пз А ц, д а « А-

С\ *Л (\ (V

А А. А А А А А. А_

А0 0 Л ° Л 0 Ао ° А° °

АпвтопЫ Хвпориз ¡¡ЬодИпит Я1(1дв1а ЕсЫпогЬупсЬт Епор!и5

ви!саи 1вву1$ ЯопНеит рЫсагае дасИ ЬпуШ

Рис. 6. Некоторые варианты структуры шпильки 17 в 188 рРНК Ме1агоа.

Заполнение «бреши» в спирали 17 произошло также у ортонектид, но этот эволюционный переход произошел в результате независимого события - ортонектиды заполнили «брешь» не у вершины, а у основания спирали 17. Подобным, но не идентичным образом «заполнена» спираль 17 одного из видов нематод - РеШосИш ¡урка - в этом случае в однонуклеотидную «брешь» вместо одного пурипового нуклеотида помещено два пиримидиновых нуклеотида (Рис. 7). Таким образом, в основании спирали 17 Р. ¡урка возник неспаренный нуклеотид, но в 5а не 3' ветви спирали.

Колючеголовые черви (АсапЛосерЬа1а), по-видимому, не дополняли, а потеряли характерный для апикальной части спирали 17 В11а1епа неспаренный нуклеотид, но приобрели вместо него свой, специфический. У них он содержит пиримидин, а не пурин, и находится в 5'-, а не 3'-ветви спирали 17 (Рис. 6).

Круглые черви как бы «вернулись» к предковому состоянию спирали 17: у них нет неспаренного нуклеотида, апикальная часть вновь стала симметричной и вернулась к длине в 10 пар. Однако в четвертой от вершины паре в 3'-ветви у них почти всегда находится пуриновый нуклеотид (Б, реже А), тогда как в тысячах известных спиралей в рРНК с предковым строением спирали (у растений, грибов, протестов и «радиальных» животных) это место занимает почти исключительно пиримидиновый нуклеотид. «Лишний» же неспаренный пуклеотид ЕМаЮта имеет как раз четвертый номер и содержи г пурин (в, редко А), т.е. круглые черви вернулись не совсем к предковому состоянию. Похоже, они избавились не от «лишнего» нуклеотида (который теперь входит в комплементарную пару), а от следующего за ним нуклеотида. Другая особенность спирали 17 КетаЮёа заключается в том, что в середине стебля у большинства видов одна потенциальная пара лишена

комплементарности (часто это АС пара, иногда иС пара), так что суммарно в апикальной части спирали 17 нематод образуется 9 п н., как это характерно для ВПа1епа, а не 10 п. н., как характерно для одноклеточных и двуслойных животных. Следовательно, возврат к структуре далеких предков произошел не полностью, и нынешняя структура шпильки 17 №та1ос1а сохраняет следы происхождения от структуры, типичной для ВПа1епа.

'с-в..... с е'

ид U-A

.. £.£.......

А А А А и

-t £ ""cf "c-'g4"' U A U A

f U

¡ГИ'.....""Cfi ii'-'*"

U-A С 6 Ci 1'

ЙГИ %

fi-C C-S BU 1Л ...(.......

1.....f t Ы ï

I A

17V2|iiji C-6 CE

ce c-6 _

AG AS A 6. A 6 A G A

I \ ' W W W \ / Pc. Cvi

I A I A

Éi ÉJiiTv T?k£JJ с e. c e с в c e

A G A-U

X / \ / \ / 2Mb Mme

AU A;U

I A I A I A ЦТ A I A

êili fl:ï 1

C G C'6 C-G Ç'G

A A A A C'8 .*U|

\ / \ / \

I A > A | A

"RhabdWda'

Рис. 7. Разнообразие предсказанных вторичных

структур шпильки 1714етаЬх1а (по: АквЫп Л а!., 1998а).

Рамками обведены апоморфные для отдельных групп ЫетаКх1а признаки.

новый мнонофилетический таксон

Подобная специфичность обнаруживается и в спирали 49 рРНК малой субьединицы. У многих видов в определенном месте этой спирали вместо комплементарной уотсон-криковской пары закономерно находятся два противостоящих пиримидиновых нуклеотида. Одно из немногих исключений - круглые черви подкласса Dorylaimia, где у представителей разных отрядов Y-Y пара либо занимает каноническое положение (но при этом окружена необычными нуклеотидами), либо сдвинута к основанию, либо сдвинута к вершине шпильки 49 (Рис. 8). Поскольку консервативный элемент отклонился от типа у пяти родственных таксонов, напрашивается предположение, что это не были полностью независимые события, а эта структура изменилась уже у их общего предка. Современные формы спирали 49 Dorylaimia нельзя вывести одну из другой, но легко вывести из гипотетического переходного состояния (Рис. 8). Чтобы его сконструировать из типичного, необходимо нарушить комплементарность двух соседних с Y-Y пар за счет одной транзиции С->Т и одной G->T трансверсии. Поскольку спираль 49 достаточно длинная, гипотетические мутации могли не сильно ее дестабилизировать и быть нейтральными или слабо вредными На втором этапе произошла полная или частичная компенсация, которая осуществилась в разных отрядах независимо за счет либо обратных, либо компенсаторных мутаций (они показаны полужирным шрифтом на рис. 8).

Trichlnellid»

Mononchlda

Dioctophymida

восстанавливает 20hi пара

и ir

переходное состояние

гипотетическое предкоаое состояние для крутых червей подкласса дорилаймий

(■место 18-й, 19-й и 20-6 пар спирали 40 обравустся нестар» имя внутренняя патл)

круглый чараь Eflopim brevia

tHt«| MMWI

жругпмй чареь Dnmodon ovtgerw

•m^V^n^if^'W^NfVs

----Mi^MOUMgn^CIt^^lMn,.«

волосатик Gofdka albopunctatua

y m* n nef ^imii'mn'I'MMM

■МСЛ^ССцОШиГАСМхЩЬ^/вДМЛв^ VOi.» ¡ni tj

приапущда Prtapt/кш çmidtb»

im àitiiMw m

.«■»WW,,,»"«"

плодовая мушка ОпяорШ тйшюдазш

в спирали на месте 19-й пары находятся два противолежащих пиримидииовых остатка, ограниченных Уотсон-Криковсхими 18-й и 20-й парами (затемнено)

Рис. 8. Вероятный сценарий эволюции спирали 49 18S рРНК круглых червей Dorylaimia.

Предполагаемая история спирали 49 Dorylaimia иллюстрирует дейсгвие закона необратимости эволюции Долло в отношении макромолекул. Из его причин здесь наиболее наглядна комбинаторная компонента. Многообразие способов решения задач, диктуемых отбором (здесь - стабилизировать спираль 49), объясняется множеством конструктивных способов ее решения. Стабилизировать одну или две пары из трех можно 18-ью способами, и

не удивительно, что в пяти отрядах Оогу1анша реализовано пять разных. Но из 18 вариантов только единственный идентичен предковому Возврат к нему просто маловероятен при условии равноценности вариантов. Весьма вероятно, что вместо возврата произойдет изобретение чего-то нового, как это характерно для морфологических структур и органов. Т. о., закон Долло на уровне макромолекул получает ясное и наглядное объяснение как результат стабилизирующего отбора на фоне случайных компенсаторных мутаций.

З.б. Природа и филогенетическое значение признаков с переменной скоростью эволюции

В разделе анализируется неравномерный характер изменений консервативных признаков первичной и вторичной структуры рРНК малой субъединицы и аналогия с «прерываемым равновесием» (длительным стазисом и относительно быстрыми изменениями) в эволюции видовых морфологических признаков1. Делается вывод об условной нейтральности рассматриваемых молекулярных признаков, медленная эволюция которых обусловлена необходимостью одновременных компенсаторных мутаций.

3.7. Вариабельные области рРНК как хранилище маркерных признаков

Рассмотрена локализация сайтов, которым свойственна неравномерная эволюция. Установлено, что многие из них находятся в вариабельных областях рРНК.

3.8. Аксиоматика кладнстнческого анализа

Рассматриваются источники ошибок в топологии деревьев, сконструированных на основании молекулярных признаков с помощью дистанционных и кладистических методов исходя из известных ранее и установленных в настоящей работе закономерностей молекулярной эволюции. Требование соответствия эволюции нуклеотидных последовательностей гипотезе «молекулярных часов» основано на статистике нейтральных замен и слишком строгое, чтобы выдерживаться для маленькой выборки «нейтральных» нуклеотидных позиций любого гена для каждой группы на всех этапах ее эволюции. «Молекулярные часы» являюся достаточным условием для воссоздания филогении недавно дивергировших таксонов. Ограничения принципиального характера возникают для дистанционных методов в случаях быстрой (относительно последующей независимой эволюции) и древней радиации (ввиду насыщения макромолекул заменами). Но условие «молекулярных часов» не является необходимым для правильной реконструкции филогенетического дерева, как следует из принципов кладистики.

1 Гулд С.Дж. В защиту концепции... /Катастрофы и история Земли: новыйуниформизм М.:Мир, 1986, сс.13-41.

Логика кладистики не предполагает определенного уровня сходства в зависимости от родства операциональных таксономических единиц и тем самым не «обещает» непременного успеха таксономической процедуры, но при этом оставляет надежду на разрешение любых, даже самых неблагоприятных с точки зрения дистанционных методов случаев быстрой или древней радиации. Кроме недостатка признаков, ошибок установления гомологии структур (при отборе ортологов, выравнивании) и экспериментальных ошибок, только две принципиальные проблемы способны внести артефакты в построенное методами кладистики дерево: гомоплазии и неверное определение полярности признака (то есть апоморфного и плезиоморфного состояния). Они рассматриваются в настоящем разделе. Также рассматривается задача непротиворечивого введения меры (вероятности) гомоплазии в конкретных сайтах и оценки распознающего правила для монофилетического таксона. Уточнение распознающих правил при практическом итеративном построении дерева с учетом разнообразных данных является обобщением метода максимальной экономии на случай разных весов используемых признаков. Дальнейшее обобщение - учет вероятности фиксации некоторой мутации в разных таксонах, которая зависит от различий в других сайтах, которые обусловливают неодинаковую компенсацию одинаковых мутаций.

Таким образом, методология кладистического анализа не связана с какой-либо моделью эволюции. Это сильная и одновременно слабая сторона кладистики. Не будучи связана с какой-то базовой моделью эволюции, она не предполагает вероятностной оценки достоверности филогенетических гипотез. Вместе с тем может быть сделана статистическая оценка правил распознавания представителей той или другой клады, которая изменяется в ходе исследования по мере прояснения топологий дерева исследуемой и внешней группы и установления узлов, в которых возникла каждая из синапоморфий.

4. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

Из двух широко используемых альтернативных номенклатур элементов рРНК малой субъединицы здесь для определенности взята за основу одна1. При построении моделей приняты во внимание главным образом уотсон-криковские и Ои пары. Это накладывает ограничение на точность предсказания спиралей: например, нуклеотиды, представленные неспаренными, могут в нативной рРНК входить в неканонические пары. Т. о., если некоторые нуклеотиды в одних таксонах закономерно входят в потенциальную уотсон-криковскую или ви пару, а в других таксонах - в иную пару, это рассматривается здесь как различие. Такая методика представляется оправданной задачей сравнения таксонов, а также возможными различиями свойств канонических и неканонических пар.

1 Neefs J-М el al 1993. // Nucleic Acids Res 21 ■ 3025-3049, Wuyts J et al. 2000 // lb. 28(23): 4698^708

4.1. Спираль 3

Спираль 3 рРНК малой субьединицы образована 11-ью нуклеотидными парами и весьма консервативна по первичной структуре. Какие-либо замены в ней редки, если не принимать в расчет круглых червей подкласса Chromadoria. Плезиоморфное состояние спирали 3 в этом таксоне обнаруживается только у представителей отряда Chromadorida -филогенетически наиболее ранней ветви Chromadoria. 3' ветвь спирали 3 остальных видов Chromadoria модифицирована в разной степени: в ней фиксировано от 1 (у Desmodorida) до 6 нуклеотидных замен против «типичного» плезиоморфного состояния, а, кроме того, до 5 замен во фланкирующих петлях с обеих сторон. Некоторые из замен, главным образом транзиции, сохраняют высокую, хотя далеко не абсолютную консервативность среди Chromadoria, маркируя определенные ветви их эволюционного дерева. У Tylenchida, цефалобидных рабдитид (Cephalobidae), панагртяймид и стронгилоидид (Strongyloididae) множественные изменения первичной структуры спирали 3 привели к предсказываемому изменению ее вторичной структуры. В этом монофилетаческом таксоне нематод длина спирали 3 сокращается с 11 п. н. до 8-9 п. н. (Рис. 9).

Drosophila „ Ascaris CaenorhabdlUs Meloldogyne

з- 3 3' з

Ч5ГР0 N:(Ap

и Au UA JJ.AU Cu Si A Ы u

f\ I' 4 I ' Л 1» ^ II' ''

"W* Ч.У

Рис. 9. Исходная структура спирали 3 и ее модификации у нематод.

Шрифтом выделены нуклеотиды, соответствующие признакам некоторых таксонов Chromadoria.

4.2. Спирали 6,7,8

Шпилька 6, за исключением относительно консервативных пар основания ее стебля, образует так называемую гипервариабельную область VI, поскольку ее первичная структура весьма изменчива. Тем не менее, определенные (предпочитаемые) мотивы в ней прослеживаются по всему дереву эвкариотов что позволяет выравнивать нуклеотидные последовательности этой области. В спирали 6 и ближайших областях обнаруживаются синапоморфные признаки для некоторых таксонов «среднего» ранга. Например, комплекс из

5'augucuaa свсаллила a.y.

"a А с-а-

HV * cê hélix 7

'и

Teratocephalm lirellus AF036607

Ascaris suum AF036578

Рис. 10. Апоморфные признаки Rhabditia (Nematoda) в области спиралей 6-8. Плезиоморфное состояние отмечено стрелками, измененные остатки обведены рамкой.

шести нуклеотидных замен (Рис. 10) проясняет происхождение сецернентных нематод (Rhabditia) - самой богатой видами и наиболее важной для человека группы нематод, которое в свете «рибосомной филогении» долгое время оставалось неопределенным ввиду резко различающейся скорости эволюции их гена 18S рРНК. Морфологически специализированные представители спируридо-аскаридидных отрядов обладают генами 18S рРНК, в наименьшей степени измененными среди Rhabditia (относительно гипотетического предка), также как и предполагаемые (по совокупности морфологических признаков) ближайшие родственники Rhabditia - представители отрядов Teratocephalida и Plectida. На деревьях генов 18S рРНК эти последовательности объединяются в один кластер (что особенно выражено при построении дерева дистанционными методами). В противоположность этому, гены рРНК свободноживущих Rhabditida сильно изменены и, ввиду ^рфекта притяжения «длинных ветвей», проявляют тенденцию располагаться на сконструированном дереве ближе к корню. Указанные проблемы полностью разрешаются кладистическим анализом синапоморфий Rhabditia, доказывающих монофилию Rhabditia относительно Teratocephalida и Plectida, сохранивших плезиоморфное состояние.

Эта область имеет крайне ограниченный набор консервативных мотивов и сильно варьирует по длине. Значительная часть ее нуклеотидов входит в специфическую для эвкариотов шпильку Е10_1, остальные формируют шпильки 10 и 11; у видов с укороченными генами рРНК малой субъединицы (микроспоридии, 1Яр1отопа<!а, РагаЬаваМа) некоторые шпильки или даже практически вся область У2 в рРНК отсутствуют, наглядно

показывая относительную универсальность общей модели рРНК; для видов с более длинными последовательностями гена в этой области предсказаны дополнительные, специфические шпильки. Нередко шпилька Е10_1 фланкирована с 5' конца мотивом СКЖи,

4.3. Вариабельная область V2

а основание ее стебля чаще всего образовано последовательностью 5'-ЦиАии-3' и комплементарной ей 5'-ААиАА-3' в 3' ветви (Рис. 11). За базальным двуспиральным отрезком стебля следует первая внутренняя петля, число нуклеотидов в которой и их последовательность имеют важное диагностическое значепие. Обычно петля асимметричная, в ее 5' ветви обычно 8 или 7 остатков (примерный консенсус можно представить как ОАУУАААА), а в 3' ветви обычно 6 остатков (ОАТОСА). На границе потенциальных одноцепочечных и двухцепочечных участков стебля с высокой частотой находятся в противолежащих ветвях остатки Б и А, которые как раз приурочены к таким границам в рРНК1. Второй двунитевой участок стебля образован последовательностями, которым можно приписать консенсус ...5-АССАА ... ииСКти-З'..., и ограничен второй, также асимметричной внутренней петлей. Апикальная часть шпильки образована варьирующим по длине двуспиральным участком - мишенью нуклеотидной экспансии. Несмотря на высокую изменчивость апикальной части, ее основание часто образовано последовательностью ...5'-С(Ю ... ССв-З'... Терминальная петля шпильки Е10_1 чаще всего небольшая (3-4 н.) и обогащена пиримидиновыми нуклеотидами. Перечисленные мотивы обычны у многоклеточных и одноклеточных, однако в некоторых группах как высокого, так и низкого таксономического ранга они сильно модифицированы. В этих случаях выравнивание этой области, так же как и построение убедительпых моделей вторичной структуры, обычно оказывается невозможным. Напомним, что у некоторых видов область У2 полностью отсутствует.

Исключив уклоняющиеся виды, можно провести множественное выравнивание последовательностей гена, соответствующих области У2 рРНК малой субъединицы Ме^оа и одноклеточных. Анализ выравнивания в совокупности с построением моделей этой области свидетельствует о комплексе синапоморфных преобразований в этой области у типов двустороннесимметричных животных, тогда как «низшие» Ме1агоа (РопГега, ОепорЬога, Р1асогоа, Сшёапа) сохраняют плезиоморфное состояние и не отличаются по индикаторным признакам от протистов. Преобразование шпильки Е10_1 Вйа1епа связано с двумя трансверсиями в ее 3' ветви (они выделены шрифтом на рис. 11, плезиоморфное состояние указало короткими стрелками). Некомпенсированная мутация (выделена

рамкой) в области базального участка стебля нарушает крайнюю уотсон-криковскую пару Аи, в результате чего предсказываемая спираль укорачивается на одну нукпеотидную пару (с 6 п. н. до 5 п. н.), а остатки переходят во внутреннюю петлю. Но если в 3' ветви петля действительно удлиняется на один нуклеотид, то в 5' ветви она сохраняет прежнюю длину Выравнивание последовательностей показывает, что это объясняется делецией одного нуклеотида 5' ветви (в средней части петли), тогда как аденил, входивший в нарушенную

' Elgavish Т et al 2001 АА AG@helix.cnds' A A and A:G base-pairs at the ends of 16S . // J Mol. Вю1 V 310' 735

ciliophora

с "с

Е10_1

8 н.

л я/8 и Л U

U. Н. С

6 П. н.)

viridiplantae

II^ii

с J

Sporifera placozoa

ft A

8/6

H. С

A A

¡fe/e я

cnidaria

a" a

* a/6 u с »i® и u и. с

' |ппваиоиорфное Л состояние

...5- 3'... Oxytrlchа nova М14601

Glycine Оор sacas max minuta

X02623 AF207844

Trlchoplax Anemonla Polypodlum adhaerens sulcata hydrlforme Z22783 X53498 U37526

Модель для ВМа1епа

ж„л„,а arthropoda platyhelminthes nematoda f

vestimentifera

делеция1н

7 н.

\ uuu

с I" делеция 1 н. A H делеция

и 8/7

cn N"^ УТР"3

комллементарностц

5 п. н, N -N N -N

JÍJ¿

"7*

J8'7 -

1н,|я делеция 1 h

JM -

...5'

тг

Stenostomum sp. U95947

7* 'S 8-'7 5

A. H. ,f

» 3\..

Enoplus b revis U88338

» <¿

Tenebrlo molltor X07801

Rldgela plscesae X79877

Рис. 11. Преобразование шпильки Е10_1 у ВПа1епа

Горизонтальные линии показывают гомологичные участки шпильки. Две трансверсии в 3' ветви выделены шрифтом, плезиоморфное состояние указано коротким стрелками Некомпенсированная мутация нарушает крайнюю уотсон-криковскую пару А11 (в рамке) в базальном двуспиральном участке стебля, который укорачивается на одну нуклеотидную пару, а остатки переходят во внутреннюю петлю, которая в 3' ветви удлиняется на один нуклеотид, а в 5' ветви сохраняет прежнюю длину ввиду делеции одного нуклеотида в средней часта петли (место делеции указано длинной стрелкой). Потенциальные вА пары не отмечены

пару, действительно мигрирует из состава спирали в петлю в соответствии с моделью. Таким образом, в совокупности делецию одного остатка в петле и миграцию одного остатка из

граничащей спирали можно рассматривать как пример компенсации (у большинства В^епа они наблюдаются вместе, хотя нельзя исключить, что в эволюции одна из этих мутаций предшествовала другой). Необходимость такой компенсация труднообъяснима, потому что эта область рРНК весьма изменчива, и у многих видов длина петли отклоняется от «типичной» в 8 н. или же спираль Е101 отсутствует вовсе. Можно предполагать, что в этих случаях компенсация осуществляется иа более высоких структурных уровнях организации рибосомы, но это предположение пока не может быть наполнено конкретным содержанием.

Специфичность описанных преобразований Е10_1 В^Ыела подтверждается в материалах диссертации анализом этой области у губок и кишечнополостных, у видов, не относящихся к животным, и у В1Ыепа с нетипичной структурой Е10_1. В частности, из 454 последовательностей А1уео1а1а первая из характерных для ВЛа1епа трансверсий зарегистрирована только в одной, а вторая - в 22 последовательностях, из которых 16 относятся к роду ТеШкутепа. В 264 последовательностей разножгутиковых первая не отмечена, а вторая (в спиральном участке) зарегистрирована у одного вида траустохитриевых и двух видов лабиринтулид и во всех трех случаях сопровождалась компенсаторной трансверсией в противолежащем сайте, восстанавливающей комплементарность пары. В выборке из 330 последовательностях красных водорослей обе трансверсии встречались одновременно и зарегистрированы в 22 последовательностях, причем 21 из них относится к представителям порядка ОгасЛапа1ез. Однако общая структура их шпильки Е10_1 не идентична таковой ВПа1епа, в частности, миграция остатка из спирали в петлю не связана с компенсаторной делецией в 5' ветви, и петля (ЗтасПапа1ез длиннее, чем у ВПа1£па. Из 1551 последовательности грибов рассматриваемые нуклеотидные замены отмечены в одной - у базидиального гриба СаткагеПиз тЬае/огт1з. В этом случае, насколько можно судить по выравниванию, также имеет место делеция одного остатка в середине петли в 5' ветви, и, таким образом, предсказываемая структура этой области наиболее близка к той, что наблюдается у В1Ыепа. Однако она всё же не идентична, поскольку у этого вида одновременно присутствует еще одна редкая мутация, нарушающая комплементарность в крайней паре второго двуспирального участка стебля, вследствие чего дополнительный остаток мигрирует во внутреннюю петлю не только из базального, но и апикального участка спирали. Из 1367 последовательностей зеленых растений трансверсия в первом сайте отмечена в трех, а во втором - в одной последовательности. Для Мегагоа 'ТНрЬЫаэйса" из более 250 последовательностей трансверсии отмечены у шести видов восьмилучевых кораллов. Несущие их гены рРНК образуют кластер на сконструированном дереве и принадлежат монофилетической группе внутри Акуопасеа. По принципу максимальной экономии, эти трансверсии должны рассматриваться как результат единственного события на известной пока части дерева Сш<1апа. Компенсаторной делеции в

петле 5' ветви, свойственной ВПа1епа, эти последовательности не имеют. Т. о., за пределами ВПа1епа рассмотренные нуклеотидные замены очень редки и, как правило, приводят к созданию предсказанных вторичных структур, которые отличаются от таковой ВПа1епа.

Синапоморфный комплекс ВИгАепа в области У2 обнаруживается во всех типах двустороннесимметричных животных (кроме ШпоАупсйа и отдельных групп более низкого ранга, рассматриваемых в диссератции), и, с некоторыми оговорками, у миксоспоридий (Мухоаэа), Огйюпесйёа, ЮютЬогоа и бескишечных турбеллярий Nemeгtodeпnatida и Асое1а (Рис. 12). Эти таксоны отличаются крайне измененными генами рРНК малой субъединицы, положение которых на дереве зависит от эффекта «притяжения длинных ветвей», поэтому наличие синапоморфий с ВНа1епа важно для установления их действительных филогенетических отношений. У Мухогоа: Ма1асоь-рогеа, ВЬ^уиМа и Ми1Ьуа1уиН(1а (за исключением единственного рода Кги!оа) фиксированы характерные для В11а1епа транзиции, и, несмотря на некоторые видоизменения, такие как компенсаторная мутация в стебле \lalacosporea, делеция в 5' ветви внутренней петли и инсерция в области исходной терминальной петли, их шпилька Е10_1 скорее напоминает таковую ВПа1епа, чем кишечнополостного Ро1уро<Иит НусЬ^огте, с которым пытаются миксоспоридий сближать1. На основании характерных для ВЛагепа трансверсий в 3' ветви шпильки Е10_1, Мухогоа рассматриваются здесь как дериваты клады В^епа, также как ЮютЬогоа и ОгЛопесйск. Асое1а с наименее модифицированными генами рРНК (виды родов РагМотеИа и Муореа) и мухогоА

немектооекиатюа

(жтнсместюа

А » * С Л И А V »

*е/7л А '7 и "•/•» и в/Т с * в/7 °

А » ¡! > * с. Н."

,? и

А А А 'А * Г, 41"

С*»/» г с В/7 с и I/» А « н.

'¡Г й:Г

Л—и-

в 1/1 С <■ в/в С

уу.длулу\ у у" у* Л

¥ ДА

и "е.

ТГ

71 Г^Г

У 9

Муж/Шит Ви{1с/впЬгаск1а Кис/ой 01суетя ЯЬора/ига РаЖотеПа ЗутаадтйагаАМЫопЬ Мвагя НвплЛойагта

ИМж*иаЬп1 р/итНИм ашпИкк «МЩаМ орЫосотае ^^^ тЬп рштторШ ро/угасио/а гЧе/юр! тЧЫа<Я Х7В638 АУ074914 АРЮШ» 028529 Х97198 «ПИЩ! АР102893 АРШ895 АЯ11М85 №31771»

Рис. 12. Структура шпильки Е10_1 у «низших» ВШйепа.

Горизонтальные линии отсекают гомологичные участки шпильки. Синапоморфии ВПа1епа в 3' ветви выделены шрифтом; состояние, свойственное внешней по отношению к ВПа1спа группе, отмечено тонкими стрелками Толстые стрелки указывают более протяженный сегмент петли (ввиду инсерции, помимо миграции остатков между однонитевым и двунитевым участком). Дробь показывает вероятное число остатков в 5' / 3' ветвях внутренней петли. Неканонические ОА пары не учтены.

1 5иШШ£йв/ 1995. //1 РатанЫ 81(6)' 961; Успенская А В, Райкова ЕВ. 2001 //Цитология 43(3)-284-309

виды отряда Nemertodermatida несут характерные для Bilateria трансверсии, но длина внутренней петли в их спирали Е10_1 отличается как от характерной для Bilateria, так и характерной для "Diploblastica". У других видов Acoela наблюдаются реверсии пуклеотидных остатков в диагностических положениях и разнообразные модификации в длине предсказываемых двунитевых и однонитевых участков в стебле Е101. Консервативные для большинства таксонов признаки теряют такое значение, становятся изменчивыми внутри Acoela (Рис. 12).

В целом выборка, представляющая область V2 Bilateria, контрастирует со сходными по размеру, но существенно более единообразными выборками из генов зеленых растений и грибов. Подчеркиваем, в этом случае речь идет о фиксации не прямых, а обратных мутаций. Из 1609 последовательностей Bilateria, обратная трансверсии во внутренней петле, кроме Acoela, встречается более чем в десятке таксонов (примерно в 1% от числа ребер дерева).

Закономерно распределенные на множестве видов специфические особенности шпильки Е10_1 характеризуют некоторые таксоны различного ранга. Например, инсерции в область внутренней петли Е10_1 составляют не очень распространенный класс мутаций области шпильки Е10_1 (за исключением терминальной петли) и могут выступать как филогенетические маркеры с умеренным уровнем гомоплазии. По крайней мере одна группа высокого ранга - Ambulacralia Metschnikoff, 1881, включающая типы иглокожих (Echinodermata), полухордовых (Hemichordata), а также родственных им Xenoturbella1, обладает сннапоморфными инсерциями во внутренней петле шпильки Е10_1 (Рис. 13). Они свойственны всем современным классам Ambulacralia. Остальные типы вторичноротых, Chordata и Urochordata, сохраняют плезиоморфное для Bilateria состояние. Из этого очевидно, что морфологические р|ды, положенные в основу кальцихордатной теории2,

происхождения хордовых, должны быть ориентированы в противоположном направлении - от червеобразных хордовых и

AMBULACRALIA

1Я1 "• и

0 с М и

/ I*!

С 10/« с

й *■" L—' II

а в

s 5

Ч"- S

и-о

и с

АпНдоп Sseeogh*sus Ctphaktdlaeu» ХлпоЫгЬЫМ semta kowalmkii gndito Ьосй

014ш l2s0s4 af2387m ay391292

в a

V" u

А С _!L_ »

зЦролухордовых к эволюционно 11 более продвинутым иглокожим.

Hon10 Bmncfihaioma Скзгя ufibtm HondM tnteettnaS» М100М М97571 АВ01Э017

Рис. 13. Инсерции в область внутренней петли Е10.1 рРНК, представляющие собой синапо-морфии Ambulacraria.

' BourlatSJ eta! 2003. Xenoturbella is a deuterostome that eats molluscs // Nature 424(6951)'925-928.

2 Jefferies R.P S. The ancestry of the vertebrates. British Museum (Natural History), London, 1986.

4.4. Вариабельная область V3

Вариабельная область V3 в рРНК малой субъединицы характеризуется ярко выраженной неравномерность эволюции1, что привело к формированию многочисленных ее вариантов, специфических для монофилетических таксонов различного ранга - от групп видов до объединений типов, таких как Bilateria. В крайних случаях размер области V3 увеличивается почти вдвое (например, в изученном нами гене рРНК безмитохондриальной амебофлагелляты Pelomyxa2) или почти вдвое сокращается, как у микроспоридий, где в области V3 предсказывается единственная спираль вместо двух, свойственных другим эвкариотам. Спираль микроспоридий считается гомологичной спирали 17 в других рРНК3.

Для более убедительной гомологизации единственной шпильки в V3 микроспоридий имеет значение, что у многих видов (например, Weiseria palustris, Amblyospora sp., рис. 14) ее длина составляет 21 нуклеотид - в точности как это свойственно «типичной» шпильке 18. Предсказываемая длина терминальной петли шпильки микроспоридий варьирует по размеру от 1 до 11 н., но в среднем она больше, чем в «типичной» шпильке 17 и походит этим более на шпильку 18. Спираль в V3 у одних видов микроспоридий совершенная, у других - нет, однако никогда не удается указать какой-то определенный остаток, гомологичный неспаренному пуриновому нуклеотиду, характерному для спирали 17. Основание шпильки V3 микроспоридий отделено со стороны 3' от спирали 19 межспиральной петлей длиной от 7-8 н. (Weiseria palustris и др.) до 10 н. (Encephalitozoon cuniculis и др.), что близко к длипе между спиралями 18 и 19, которая составляет 8-9 н. в большинстве рРНК. Промежуток с 5' конца (от уникальной спирали микроспоридий до спирали 4) сильно отличается у разных видов. В рРНК Weiseria palustris его длина 12 н, что превышает обычную длину петли между спиралями 17 и 4, тогда как в pPIIK Encephalitozoon cuniculi, его длина 4н., что меньше обычной длины промежутка между спиралями 17 и 4, зато коррелирует с предсказанным удлинением единственной шпильки V3 Encephalitozoon. В связи с общим сокращением области V3 микроспоридий, увеличение длины одного из элементов (будь то петля у Weiseria или спираль у Encephalitozoon) выглядит несколько неожиданным. У Antonospora scoticae, Janacekia debaisieuxi, Culicosporella lunata (Рис. 14) на участок межспиральной петли приходится еще больше остатков - 16 н., 20 н,. 26 н. В последовательности, предположительно принадлежащей виду микроспоридий из морфологически примитивного семейства Metchnikovellidae4, в этой области нами предсказана рудиментарпая шпилька со стеблем 3 п. н., которая отделена от основной шпилыш (длиной 21 н.) промежутком в 6 н., т.

•Aleshin VV el al 1998. //FEBS Letters. 429(1 ):4-8; Алёшин B.B идр. 1999. II Молекуляр биология. 33:319-329.

2MilyutinaIA. et al 2001 //Gene 272(1-2): 131-139.

' Hartskeerl НА , et al 1993 //Nucleic Acids Res 21(6)-1489; Wuyts J et al 2004 II Ib 32-D101-103

4 Юдина В А Анализ гена РНК малой субъединицы . Дипл работа каф зоологии беспозвоночных биологического факультета Московского государственного университета им М В. Ломоносова Москва, 2003

е. ровно таким, как «типичная» шпилька 17 отделяется от «типичной» шпильки 18. В области «межспиральной петли» некоторых других видов микроспоридий также может быть сформирована спираль. Эту спираль соблазнительно рассматривать как рудимент спирали 17, а каноническую спираль области УЗ микроспоридий - как гомолог спирали 18. При такой трактовке многие указанные выше особенности области УЗ микроспоридий легко выводятся из типичного состояния, свойственного другим эвкариотам.

Л "С °сс« .

ВАОАВ5

АтрЫатЫуж (?) •Р-

€

СиНсогрогеИг 1ипШ №02П93

Я.

Рис. 14. Предполагаемая вторичная структура УЗ рРНК малой субъединицы микроспоридий.

В диссертации рассмотрена вероятная вторичная области УЗ некоторых других одноклеточных и основные ее варианты у многоклеточных животных, свойственные монофилетическим таксонам различного ранга (Мегш^оёа, КетаЮёа: ШтЪ(Ш<1а (часть), АсапЙюсерЬак, Тагс11{5га<1а, ОавШЛп'сЬа: СИаейпойск, Стпа&озютиНёа, Кетег1о<1егта<1<!а, Асое1а, Р1а1уЬе1тШ1еэ: Ро1ус1а<Н<1а, Р^Ьекш&ев: Тпс1а&с1а, Pogonophoгa, МугозймвдИа, (Мюпесйёа, КЬотЬогоа и др.). Если спираль 17 ВЛа1епа относительно изменчива, то

предсказанная вторичная структура спирали 17 растений и грибов в выборках такого же размера практически одинакова. Показано, что многие частные модификаций спирали 17 ВПа1епа связаны с сохранением неспаренного нуклеотида или своеобразной компенсацией -возникновением аналогичного нуклеотида в 3' или 5' ветви спирали.

4.6. Спирали 24 и 25: примеры гомоплазий

Для большинства типов Metazoa во внутренней петле спирали 25 характерна пара уридиловых остатков (локализация которых понятна из табл. 1). Кажется, что тип Arthropoda можно характеризовать двумя синапоморфиями - тразициями Т->С в указанных сайтах. Но у большинства Hexapoda произошла реверсия к предковому состоянию. Вслед за реверсиями С->Т у Hexapoda, у общего предка двукрылых (Díptera: Brachycera & Nematocera) вновь фиксировались две транзиции Т->С. В условиях недостаточной выборки подобные обратные и повторные мутации рассматривались бы как конфликтные филогенетические сигналы. Обращает внимание, что рассмотренные транзиции фиксировались парами. Просмотр набора из 1605 последовательностей Bilateria подтверждает, что «двойные» мутации в этих сайтах фиксируются чаще, чем одиночные, хотя селективность предпочитаемых пар не абсолютна.

66Í

A-U„

¡r*

Табл. 1. Ожидаемые и наблюдаемые частоты нуклеотндных пар во внутренней петле спаралн 25 рРНК малой субъсдиннцы ВЛаМа

¿üfD

ас", а 8

ВС U-A

А^ В HEXAPODA Baatfs ер.

е е В ли

C-G

В'; -3'

PAMTOPODA Nympbañ ар.

NEMATODA ЕяорЛп bfBVt'9 - -NEMATODA

Caaaorhabilibs

25а/25Ь пара Ожидаемое из частот одиночных остатков число пар Число документов в базе данных

ÜU 517 830

сс 270 594

ис 408 96

си 342 17

GU 28 49

АС 7 16

GC 22 1

CG 1 1

GG 0,1 1

UG 1 0

AU 9 0

NA 0 0

ИТОГО 1605 1605

Сходная ситуация рассмотрена для основания спирали 24, где в определенном сайте может находиться любой нуклеотад, преимущественно в или и, но их распределение по таксонам резко неравномерное. Только в части таксонов 0<-»Т траснверсии сопровождаются компенсациями в противоположной цепи. Рассмотренные таксоны существуют длительное

ли цц; цш пил иимшш ие^с тем, что

геологическое время, и очевидно, что консервативно

мутации в основания спирали 24 не возникали, а с тем.

в ш ири

ГОС НАЦИОНАЛЬНАЯI

что оцнге^1Д5рриэелись.1

С Петербург | - ^ » » "" , Í

5. СИСТЕМАТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

5.1. Общая характеристика внешней группы МеШоа

Наиболее крупных групп эвкариотов насчитывают до 12-13, что согласуется с результатами нашего анализе последовательностей рРНК малой субъединицы. Это следующие монофилетические таксоны: Ори&окоШа (животные, грибы, воротничковые жгутиконосцы и некоторые другие одноклеточные), СЫогорЬуш (зеленые водоросли и высшие растения), ЮкхкгрЬуШ (красные водоросли), А1уео1а1а (инфузории, динофлагелляты, споровикии некоторые другие одноклеточные), Не1егокоШа (бурые, датомовые, золотистые, желто-зеленые, оомицеты и др.), Шигапа (филозные амебы, церкомонады, тауматомонады, СЫогагасЫоп, десмоторацидные солнечники, фораминиферы, радиолярии и др.), ЬоЬовеа (лобозные амебы, анаэробные амебофлагелляты, слизевики), Ехсауа1а (гетеролобозные амебы, акразиевые, трипаносомы, эвгленовые, трихомонады, лямблии и др.), Сгур1орЬу1а (криптофитовые и 01аисорЬу1а), Нар1орЬу1а (кокколитофориды или примнезиофитовые), НеПогоа (= СеШгоЬеН(1а, центрохелидные солнечники), АршотопасЦёа и Апсуготопа<Мс1а (Рис. 15, 16). В настоящее время гипотезы об объединении каких-либо из этих групп между собой остаются недостоверными. По крайней мере в шести из них имеются не просто колониальные, а настоящие многоклеточные формы (среди Ор18ЙюкоШа, СЫогорЬу1а, ШкхкфЬ^а, Не1егокогиа, ЬоЬозеа и Ехсауа1а), что выводит вопрос об их возникновении и ближайших родственниках как немаловажный.

В диссертации на основании оригинальных данных по последовательностям гена рРНК малой субъединицы проводится критический анализ концепций "СЬгоша1уео1а1а" и "С11гогш81а", рассмотрена проблема ближайших родственников многоклеточных животных (Ме1агоа) и др. Эти, как и ряд других данных, помещают виды "АгсЬегоа" в состав общих с

Рис. 15. Филогенетическое «дерево» (розетка) эвкариотов.

13 основных групп, монофилия которых вероятна, но отношения между которыми в настоящее время не определены. Обведены названия таксонов, представители которых экспериментально исследованы в работе.

аэробными видами клад, противоречат гипотезе автотрофности общего предка АЫеоЫа и гипотезе "СЬгогшви", выводя из их состава Сгурйр!^ и НарЬрЬ^, свидетельствуют о большей экономности гипотезы о пластинчатой форме крист митохондрий общего предка современных эвкариотов и подтверждают монофилию Ор^эЙюкоШа, включающих Мешоа.

¿4

\/1г1с11р1ап1ав Шюс1ор1)у1ач Апсугошопа<1Ма

0.1

100 / 24 / 23 / 33

]Г

...........тышшылм! 21510(

>••• Тахорйюядотт ш ,,,{ «.••..•■•I. дМмЬплЬагавл/и нота *< ................... СгурЬярогкИипмгрШЬ «м

100 / 70 / 84 / 45 ; Со(воЛ/й«<йи Ачгшз

РтЬрЬюхОпкт ШШкзт нтж

..............шьакит *ш А1Уво1а1а

......НтЧоЯпЮт «р. ИР-2000 лягаяиз

■"! *............... РккЬишпжЬиг гш

; .................ОШплпЬдготШя т

: !"' ...............Рпйхппк ар. 106177 »19«»

! ..................ДОоКилитатЫдит 1-31518

...............-г™сЫог*й"

I м |?'\..........м..мм.. АпвАоптопМАДОЮ

I ............ 1М|Ш)|||(п|(| мотззз ,,

—\................Аки>дк1*м>1 «а» Не1егокоп1а

: ......................... АМтожршНостип дишп

ТЬггМосЬ/МттиЮюЛмпиЬ нвтп ) Сойяоитвюп» ктть

г..........................................................У/.....^

.........................................НЛттИЛит $р.Актив

ШиШМштшЛт «тазго _

Спсп» I опдкшхй лпогая КМгЭпа

ЗролдмротюЫиплм агзюю

■ : 100 / 32 / 33 / 99

Ч/У

..............—.............. йткдИМ АМ57812

*•••■>■........................(МсюЛМИаркярогШп ити!

■ Алсуголюпах/длюМм «Ч7«ю 1

^шВЭюЯапршрйтт шзв1б*|

Rhodophyta

«™== РогрЬряитЫНсЧЫ Авпзт J

ЮККОфАиП УЮЮШ Х81902 ВоШа«у№гой{рАол *яи52»

_ ЗДкмлаамсЮ дом ЯгуЯПИЬЯрМММЛЛ! 134670 *] РЛйюеугвгМШ ан«зм I

рглю аш» №106069

' кЬккМю ттз ЦпйекпШ [гасгаЬвВсйМП ТСЭ -2002 №534711

НарЬорНда

Centrohelida

' РутикпопшЛгопяь «0017121 —ССМР717_йп*Г РтЛжоиПШЛ*

Е ^дегтжппя Ьапвч »1784

100/38/53 / 52 __ НтШтзуШитг шш

100110019)190 ПМаиюпаАисоМи »мэмз ъРтЬтиячикй» шт = виШтИг Шг ¡егт

< ООЛ/ОЛХ»» рж№> №503277

• КоЛЬаЫврЫЛь гвт!двга ■■ вШжосуШпМоМтот х7яоз

, окшкшн »ишмшш *пю1 | б1аисорЬу1а

\100/100/99 /

У1г1с11р1ап1ае

СгурЬ>рЬу1а

яки |

■276 I

,_______________ АУИ7420

атссяи62 ля2«903

99/0/2/0 —

: Сужк&усЫ дкжеугвж ктгт • СушюрЛоп/тма ятз

.. 99/2/10/2

|/|.........ш

........................................... ТптагИх

...................................- ипсиНипс! еикагуо!* АГ4 -Ммтана

■ АрихтатргоЫясЫвг дооз7 "1 . ,. ,

...........Ативдотт» «р. «УПЮ179 J АривОПЮПааКШ

........ЧшЯШаюШ» лгиэ№ 1

АалАатмЬясиММ Ш3435 1_оЬр5вЭ ■ НчЬтмИттИотЛ шш$ ¡^^—•—ЗрШотгсмасипЛяЫ» йот ""4 а

- ' | ОЬрЫпокгдгжхИг поем I

»В р - -____СщяиропюшеапМ №мкы ОрЬтОКОГ№

\8_ дыьюлаильп/ №100642 I

100 / 58 / 65/(3

.Шо&а Ими ау117411

,, Швмшш йомЬн

моы/псгпжю лп1741>

ау117417

Ехс^йа

Форма крист: ■■ трубчатая = пластинчатая _ дисковидная

_ неопределенная или изменчивая

................ неизвестна,

или фИСТЫ отсутствуют

Рис. 16. Консенусное дерево рРНК малой субъединцы, построенное программой МгВауеэ 3,0 с коррекцией на скорость эволюции отдельпых сайтов.

Апостериорная вероятность или бустрэп-поддержка, полученные в В1 / Ш- / МР / N1 анализе, показаны только для основных узлов дерева Узлы с апостериорной вероятностью менее 50% коллапсированы. Выделены полужирным индексы для групп мажоритарного консенсусного дерева

5.4. «Низшие» Metazoa и сестринская группа Bilateria

Согласно анализу первичной структуры генов 18S рРНК, выполненному во многих работах1, наиболее ранние ветви филогенетического дерева многоклеточных ведут к губкам и гребневикам, a Bilateria, Cnidaria и Placozoa являются близко родственными более поздними группами. Такой порядок ветвления, однако, не имеет надежной статистической поддержки. По этой причине он может быть поставлен под сомнение, особенно в отношении гребневиков, которых нередко считают наиболее совершенными "Diploblastica" и возможными предками плоских червей или вторичноротых, и Placozoa, которых на основании простоты строения традиционно относят к наиболее примитивным многоклеточным или даже непосредственно выводят из предков Metazoa2. Для более ясного представления о родственных отношениях основных групп Metazoa были исследованы их синапоморфии в рРНК малой субъединицы, характеризующиеся низкой степенью гомоплазии. Как было сказано выше (Рис. 5), все 18S рРНК Metazoa можно разбить на два класса в зависимости от длины спирали 42 и петли между спиралями 44 и 42. Это различие выявляется выравниванием последовательностей и моделированием вторичной структуры, которые приводят к одинаковому разбиению. Основной прием кладистики для установления полярности - метод внегруппового сравнения, в этом случае позволяет признать в качестве апоморфного состояние с укороченной на два нуклеотида последовательностью в области 3' ветви спирали 42. Оно свойственно Cnidaria, Placozoa, миксоспоридиям (Myxozoa), Bilateria, а также Orthonectida и Rhombozoa, принадлежность которых к Bilateria теперь обычно не подвергают сомнению. Все эти группы, по этой причине, в соответствии с правилами кладистики, рассматриваются как монофилетический таксон. Плезиоморфное состояние свойственно кремнероговым, стеклянным и известковым губкам и гребневикам, которые представляются парафилегическим остатком в результате применения описанной процедуры. Естетсвенно, автоапоморфии, например Myxozoa, которых в области V7 свойственны множественные нуклеотидные замены и дополнительные спирали (Рис. 5), делающие ее «непохожей» на V7 остальных видов, не имеют значения для кладистической процедуры. Выделенный таксон характеризуется еще одной синапоморфией, выявляемой в моделях вторичной структуры - утратой канонических уотсон-криковских пар в основании спирали 44, которая, вследствие этого, сокращается с 7-8 до 4-6 п. н. (Рис. 5) (потенциальные GA пары в спирали 44 Bilateria, Cnidaria, Placozoa, Myxozoa, Mesozoa не принимаются в расчет, поскольку во внешней группе им соотвествуют канонические пары). Анализ баз

' WainrightPO et al 1993. //Science 260-340-342; Алёшин B.B и др. 1995 //Молекуляр биология 29(6)-1408-1426; Siddall ME et al 1995. // J. Parasitai. 81(6): 961-967; Medina M. et al. 2001. Il PNAS 98(17): 9707-9712.

2 Из новейших публикаций с заключением о непосредственном развитии Trichoplax (через переходные стадии) от предка всех многоклеточных, "Archeometazoa", упомянем- Серавин Л H, Гудков А В Trichoplax adhaerens (тип Placozoa) - одно из самых примитивных многоклеточных животных (Учебное пособие для студентов-биологов) СПб.. ТЕССА, 2005 69 с.

данных показывает, что оба комплекса синапоморфниых признаков, связанные со спиралью 42 и спиралью 44, допускают гомоплазии и реверсии с очень низкой частотой, которую можно оценить как 10°. Еще одна синапоморфия этого таксона представляет пару компенсированных замен в области спирали 30, частоту которой можно оценить как меньшую чем 10"2. Губки и гребневики сохраняют состояние спирали 30, характерное для внешней группы. Наличие гомоплазий и реверсий по рассматриваемым признакам не позволяет исключить случайное возникновение сходства ШкИепа, ОгИюпесйсЗа, ЮадтЬо7оа, Сш(1апа, Р1асогоа и Мухогоа, но «апостериорная» вероятность этого события представляется теперь ничтожной, а сама группировка более надежной, чем если бы она просто получила 100% поддержки непараметрического бутстрэпа при использовании «обычных» (N1, МЕ, МР, МЬ) методов построения дерева по последовательностям.

Вопрос о составе ЫЫепа решается на основании синапоморфного признака - пары трансверсий в спирали Е101 (Рис. 11), в отношении которых Сшёала и ТпсИор1ах плезиоморфны. Ряд признаков рРНК с умеренной степенью гомоплазии поддерживает гипотезу сестринских отношений Сшйапа и Тпскор1ах, которая принимается до обнаружения более специфических признаков. Таким образом, вероятная клада Сшйапа + Р1асогоа рассматривается как сестринская кладе ВПагепа в широком понимании (Рис. 17).

.г Г\

У ^ ^ ** У & ^ ^ -О*

синапоморфии в спирали Е10_1 синапоморфии в спиралях 30,42,44

Рис. 17. Распределение синапоморфий крупнейших корень | субтаксонов Мйагоа на филогенетическом дереве.

Если на полученное филогенетическое дерево спроецировать морфологические признаки современных представителей клад, то минимизация эволюционных событий в дереве потребует допустить некоторое снижение морфологической сложности в эволюции Сшс1апа, выводимое также из морфологических соображений1, и существенное упрощение Тпскор1ах и Мухогоа. Последние утратили основной признак МеЫгоа - зародышевые лисгки и их очевидные дериваты2. ВНа1епа и Ме1агоа, как и включающий их таксон Ор^в&окоШа,

1 Малахов В В. 2004 Происхождение билатерально-симметричных животных.. //Журн общ биологии 65-371 г Алешин В В, Петров Н Б 2002 Молекулярные свидетельства регресса .//Журн. общ биологии. 63(3)-195

лишаются всякого морфологического диагноза, что еще раз показывает различие задач «естественной» и филогенетической системы.

4.10.2. Клады насекомых, распознаваемые по вторичной структуре V7

В пределах каждого класса членистоногих встречаются предсказанные варианты вторичной структуры, идентичные плезиоморфному для Bilateria варианту, следовательно, возможности использования 18S рРНК для реконструкции филогении Arthropoda на уровне подтипов и классов ограничены первичной структурой. Однако в пределах классов ситуация иная. Для насекомых характерно несколько инсерций в гене рРНК (основные из них локализованы в областях V4 и V7, которые часто не учитывают в филогенетическом анализе ввиду трудности выравнивания). Но именно в 3' ветви спирали 43 локализована уникальная синапоморфия - инсерция (Рис. 18), маркирующая монофилетический таксон Dicondylia ранга подкласса, объединяющий Zygentoma и крылатых насекомых (Pterygota). Она обнаруживается во всех отрядах Dicondylia. В отряде Díptera, где эта инсерция приобретает наибольшую длину, нуклеотиды организуется в предсказываемую дополнительную спираль, ответвляющуюся от спирали 43. В группе отрядов Holometabola в области терминальной петли происходит инсерция, удлиняющая спираль 43 вдвое, а в отрядах нейроптер<#шых происходит дополнительное удлинение. Ряд специфических инсерций в рРНК насекомых датируются ранней Пермью по времени появления таксонов, и т. о., специфические спирали сохраняются, несмотря на вариабельность первичных структур, более 250 млн. лет.

4.11. Филогения круглых червей (Nematoda)

Ген рРНК малой субъединицы нематод оказывается идеальным модельным объектом для изучения молекулярной эволюции. Кладистический анализ уникальных синапоморфий в рРНК позволяет с необычайно высокой степенью достоверности доказать монофилию и реконструировать большинство узлов филогенетического дерева одного из трех подклассов (классов) нематод - Chromadoria, с некоторой степенью достоверности реконструировать филогению Dorylaimia и выделить только отдельные монофилетические группировки внутри Enoplia. Кроме практического решения конкретных задач филогенетики, пример рРНК нематод имеет очевидное дидактическое значение, показывая, что успешность применения определенного молекулярного маркера зависит не от таксономического ранга группы, а от заранее неизвестных особенностей ее филогении и эволюции соответствующего маркера в ее пределах. Многие синапоморфии Chromadoria локализуются в спирали 49. В ней наблюдается резкий градиент эволюционной консервативности от практически одинаковых у всех эвкариотов позиций в основании спирали до различающихся даже у близких видов в вершине. Основание и середина спирали 49 проявляют свойства участков с переменной

5' ro^CUM*"^*. ?GAMGBAUCC u. 3- B6A BAUUnjUCLj-BCilAggUGGy

Aftmmta йаИта

5 "CCU*UUAAa,AEA " CfUVAUA(lfCu 3- gga EAUUQjUCE^i CAGUU UBGG „ u

ОвшиЫЬм jbvButv

5" CCUAUUAACUASAA6UCBEACCUC6CA11 3' GGA GAUUqjUCCU^CGCCU GAGCGCU

MaduBs sp.

S' CaiAUUAACUAGS-C8UCGG6GUAUG

T 6ЙА SEH^ilti, c6CifitCttyUBU

J U Is/Mgma saccaa/m *АЬ

ССЦвСЦААСиАИ-C$UUGGAAUCU * U

gea sauu^.ucu- „BCAACOlUrS, <1 CU A U С A

AC6A АежЬяа суома

1 CCU*CIMA' GGA GAilil.

«"ASS

. OCflf

CU A и

AceA

-rsrroriuUrU"

ёйв^в AUgji c

Beott iiff.

* caAjUAACUAau c gEuUccbguaUc^" 3- sea gauuajutu^^acagc6ectafle6u вд®

Cbraotfae татя»

си

'ags- cstcebuauc u u

QjUCU^ aGC GGCCAUc6 s С

и и

АДСА

Aquarius ramigit

?'CCIAJUAA^AEA C euAi/)AccGGUA u CSCGABBUB cn

З-...ifcA ¿AUUqjUCU. /АйвcввССАиСд^цЦбСёСииСуС EL TjgU Hydraptycbe s)

■ ccuecuaaauai;p — cbu с

GGA GAUU^UCL^ цВСА G

GSU^UCA Л£ясасивиб

CCU6CUAAAUA6e С GUAU<'*4j6GUAMCAcSiASGCC CUdGGCUU у GGA GUIUqjUCU^ JCAU6 сд ACtAU „ . UUUUUGGn&AGDjGGC

сд UUUUUBByBABCUEEC

AMn dtimifltHus

*........л

A. -A

3-. GfiA ¿AUUOJUCU^ Д.

euayuyceaca^^aaagga: cgc ugguc ccgggu LCAdGcGGtuey^ UUUUUG&c6tGuGCCAGuGGCUCe

Таюйпа яшШог

Рис. 18. Спираль 43: специфическая инсерция в 3' ветви спирали ВюопёуНа.

ОдопёуНа отмечены полосой по левому краю. У щетинохвостки МасМи (АгсЬаео^Аш) спираль 43

проявляет плезиоморфное для насекомых состояние.

консервативностью. Они меняются в эволюции очень редко (чем базальнее - тем реже), но, изменившись, - длительно удерживают в ряду потомков измененное состояние. Такие свойства делают спираль 49 идеальным маркером для выявления монофилетических групп и доказательства их монофилии (если так повезло, что замены в основании спирали 49 рРНК фиксировались в эволюции изучаемого таксона). Нуклеотидные замены в спирали 49 нематод подкласса Богукшиа (Рис. 8) фиксированы на границе консервативного и вариабельного участков. Основание спирали 49 нематод большой группы отрядов СЬготаёопа (ЮюЬёШёа, ЙШи^Ыа, ТукпсЫёа, АвсапШск, Зрштёа, Охуипёа, Тега1осерЬаНс1а, Р1есйс1а, Агаео1аит<1а, 1Лп1ютоеи1ае, 1)е$то8со1ес1(1а, МопЬу^епёа) приобрели в ней около 35 точковых замен, образующих специфический "сецернентный стебель" шпильки 49'. Хотя изменения последовательности в этой области не вызывают предсказываемых изменений конфигурации и размеров шпильки, они затрагивают очень консервативные сайты, позволяя отличить этих нематод не только от других животных, но и от любых других эвкариотов. Направление эволюционного перехода в этом случае не вызывает никаких сомнений, потому что основание спирали 49 ЕпорНа и ЭогуЫпиа не отличается по первичной структуре от тысячи видов других живогных, а "сецернентный стебель" не имеет аналогий. Последовательные стадии формирования "сецернентного стебля" и других признаков СЬгота<1оп(1а могут быть отражены иерархией синапоморфий, то есть филогенетическим деревом (Рис. 19).

1 Aleshin VV etal 1998b. Relationships among nematodes // Russ. J. Nematol. 6(2): 175-184.

о я т,

в я

■о

■о л

« я

я в

5 « о

с 2 я

I 2 я 2 я

— о 2 -о тз

в >.2 ° =5

га га <2 я -с

?с £ ■£ я

р 2 а о

я £ >• » «

а. ¡л н О <

4а, 17е, 17кЗ, 171,17ш, 17п, 18а, 19с, Ш

17Ь2 6а, 6Ь, 5а, 8а, 8Ь

17с, 24с, 39а

ЗЬ, 27а, 29а

За, 49а, 49Ь, 49с, 49], 49к, 49ш, 49д, 49г, 498,491,49и —^

49с1, 49в, 49д, 49), 491 >

28а, 30а, 49^ 4911, 49р

Рис. 19. Фрагмент филогнетического дерева Chгomadoria.

Указаны узлы фиксации синапоморфий; нумерация по: АкяЫп й а., 1998Ь.

Реконструированные к настоящему времени детали филогенетического дерева в значительной степени прояснили ряд вопросов морфологической эволюции типа. Например, рабдитидные нематоды действительно связаны с почвенными Р1есйёа, и еще теснее - с Тега1осерЬа1к1ае1. Находит полное объяснение морфологические различия между видами «семейства ТегаЬсерЬаНёае», из которых роды Еи1ега1осерУш1ив и МЛаХегсОосарЬсйиз на самом

1 1937, Апс1гаиу, 1958, Парамонов, 1962-1964

Рис. 20. Гипотетическая схема эволюции Е)огу1аиша (из: Яивш (Л а1., 2003).

А - гипотетический предок 13огу1ацша; В - современные ОюсЬ>рЬупш1а; С - гипотетическая переходная стадия между предковой формой и общим предком 1)огу1ашж1а, МопопсЫ(1а и МеппШш1а

О - современные Оогу1аши<1а; Е - современные МопопсЫёа

деле, в соответствии с комплексом морфологических признаков и дискриминирующих признаков в рРНК, принадлежат к одной кладе с видами отряда Р1есй(к, а род ТегаЮсерШш оказывается сестринской группой всех сецернентных нематод. Насколько больше прояснилась эволюция форм, распределявшихся ранее между отрадами Агаео1ашшЗа и МопЬуйеп(1а. Последние представляет наиболее раннюю кладу в линии с полностью сформированным "сецернентным стеблем". Традиционно МопЬуйепёа рассматривались как примитивные СЬгошаёопа ввиду простого цилиндрического пищевода без бульбуса, слабо развитой стомы, слабо выраженной спиральности амфида. Однако из далекая связь с ЩшЬёйёа находит выражение в сходстве экологии: если какие-либо морские нематоды встречаются в богатых органикой субстратах или выступают как комменсалы - это, скорее всего, представители МопЬу81епс1а. По-видимому, в этой линии преимущественно морских нематод возникают первые физиологические преадаптации, получившие окончательное развитие у почвенных ШтЬ(1Ш<За. Парафилетичсский комплекс таксонов с прямыми яичниками (МопЬуОДпс1а & Сотеэотааёае, ЬшЬопмжске & Ое$то$со1ес1с1а, Ахопо1ашшке) в настоящее время разделяется только молекулярными синапоморфиями.

Определение филогенетического положения ЦюйорЬушда позволило допустить, что такие особенности организации этих нематод, как связь протоков фарингельных желез со стомой, примитивны для БогуЬтиа. На этом основании предложен вероятный сценарий морфологической эволюции Оогу1атиа, который предполагает перестройку пищевода и стомы в отрядах ПогуЫпиёа, МопопсЫёа, редукцюя копья у МопопсШа и железистое преобразование пищевода в «стихосому» у Мептпйпйа независимо от ТпсЬше1И<1а (Рис. 20).

6. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В разделе перечислены виды, из которых выделяли гены рРНК малой субъединицы для определения первичной структуры, описаны экспериментальные процедуры выделения ДНК, амплификации, клонирования и секвенирования, олигонуклеотидные затравки для ГТЦР и другие использованные материалы, компьютерные программы выравнивания последовательностей, построения деревьев и предсказания вторичной структуры, использованные в работе, принципы ручного построения моделей и полуавтоматического поиска синапоморфных признаков в первичных структурах.

Список синапоморфных признаков таксонов высокого ранга

Синапоморфные признаки с низкой степенью гомоплазии и низкой степенью обратных мутаций (реверсий) обнаружены в следующих элементах рРНК малой субъединицы таксонов беспозвоночных высокого ранга:

- делеция в области спирали 42, нарушение канонических пар в основании спирали 42, компенсированные транзиции в спирали 30 - в предположительно монофилетическом таксоне многоклеточных животных в составе кишечнополостных (Сш<1апа), пластинчатых (Р1асогоа) и Вйа1епа (в объеме, конкретизируемом в п. 76);

- трансверсии двух нуклеотидов в спирали Е101 - в предположительно монофилетическом таксоне В11а1епа, включая двустороннесимметричных животных, ЮютЬогоа, 0гйюпесйс!а и миксоспоридий (Мухогоа);

- инсерция нуклеотида в 3' ветвь спирали 17, гомоплазии которой не обнаружены, а уровень реверсий и последующих модификаций умеренный - в предположительно монофилетическом таксоне В^епа;

- инсерции двух нуклеотидов в область внутренней петли спирали Е101 - в монофилетическом таксон АтМасгаНа (в составе иглокожих, полухордовых и Хепо1игЬе11а)\

- трансверсии в области спирали 24 - в предположительно монофилетическом субтаксоне членистоногих МапсШзШай (в составе Мупароёа и Рапспк1асеа); нуклеотидные замены в области спиралей 34 и 36 и трансверсия в петле шпильки 17 с умеренной степенью гомоплазии и реверсии - в предположительно монофилетическом таксоне Рапсп^сеа; других признаков с низкой степенью гомоплазии, характерных для МапсНЬи1а1а, в первичной или предсказанной вторичной структуре рРНК малой субъединицы не имеется;

- инсерция фрагмента из четырех или более нуклеотидов в 3' ветвь спирали 43 - в монофилетическом субгаксон насекомых 1>1соп<1у11а в составе Zygentoma и Р1е^о1а;

- инсерция гуанилового остатка в область внутренней петли спирали 24 - в монофилетическом таксоне Уе1^а5йоро<1а; Pleurotomariidae сохраняют плезиоморфное состояние этой области;

- транзиция в петле ппшльки 35 и трансверсия в петле шпильки 48 - в монофилетическом субтаксоне круглых червей ЕпорИа (исключая Тпр1опсЫёа); других признаков с низкой степенью гомоплазии, характерных для ЕпорИа, в первичной или предсказанной вторичной структуре рРНК малой субъединицы не имеется; трансверсиея в петле между спиралями 22 и 23 - в монофилетическом субтаксоне круглых червей ОогПаугта; многочисленные нуклеотидные замены в области спиралей 49, 30, 3, 6,17, 8, 19 и других, обосновывающие монофилию субтаксона круглых червей СЪготаскта и его филогенетическую систему, которая отображается деревом (СЬгота(1опс1а, фезто<1оп(1а, (Мопк^епск, (ЬшЬотоек1ае, Ое8то8со1еа(1а, (Агае1оа1гт(1а, ((Р1есй(1а, ЬерйЫтша, ЕмегШосерШия), (ТегМосеркаЫ, ИиМШа))))))).

ВЫВОДЫ

2. Эволюционный переход между структурными вариантами рРНК сильно затруднен и может быть описан в терминах «прерываемого равновесия».

4. Устойчивые структурные варианты рРНК представляют собой синапоморфные признаки с низкой степенью гомоплазии.

Благодарности

Автор искренне благодарен Н.Б. Петрову, научному консультанту и соавтору большинства опубликованных по теме диссертации работ, за неоценимую многолетнюю бескорыстную помощь в огромном числе самых различных научных, методических и организационных вопросов. Многие представленные здесь результаты - это плод совместно задуманных и проведенных экспериментов, а многие выводы сформировались в результате общего обсуждения. Эта работа приобрела настоящий вид благодаря трудам соавторов большинства опубликованных работ: Н.С. Владыченской, О.С. Кедровой, И.А. Милютиной, А.П. Мыльникова, молодых коллег и учеников Л.Ю. Русина, О.Н. Кувардиной, С.И. Николаева, М.А. Никитина, A.B. Константиновой, К.В. Михайлова, а также коллег -соавторов, чье участие в этой работе было не столь постоянным, но тем пе менее весьма важным: А.Н. Пеговой, Т.Г. Симдянова, О.Г. Манылова; И.Л. Окштейна, К.А. Микрюкова, A.B. Чесунова, В.Г Гагарина, Е.Д. Красновой, Г.И. Атранпсевича, Г.С. Слюсарева, Я Павловского, П. Киллинга и других. Автор выражает им свою искреннюю благодарность. Автор искренне благодарен A.C. Антонову, зав. отделом эволюционной биохимии и главе научной школы, в рамках которой выполнена настоящая работа. Без его всесторонней помощи и доброжелательной критики эта работа вряд ли была бы реализовала как законченная рукопись. Ряд разделов диссертации сформирован по советам A.C. Антонова, а некоторые вопреки им. Автор благодарен сотрудникам отдела эволюционной биохимии за поддержку экспериментальной работы, коллегам, потратившим немалое время на сбор и определение материала, а также друзьям, чьи замечания и критические возражения способствовали постановке некоторых вопросов и выработке более точных формулировок выдвигаемых здесь положений.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах

1. Владыченская НС., Кедрова ОС, Милютина ИА, Окштейн И.Л., Алёшин В. В, Петров

Н.Б. 1995. Положение типа Placozoa в системе многоклеточных животных по результатам сравнепия последовательностей гена 18S рРНК // Доклады Академии наук. Т. 344. №. 1. С. 1-3.

2. Алешин В.В, Владыченская НС., Кедрова О.С., Милютина И.А, Петров Н.Б. 1995.

Сравнение генов 18S рибосомной РНК в филогении беспозвоночных // Молекулярная биология. Т. 29. № 6. С. 1408-1426.

3. Aleshin V.V., Kedrova O.S, Milyutina I A., Vladychenskaya N.S., PetrovN.B. 1998. Secondary

structure of some elements of 18S rRNA suggests that strongylid and a part of rhabditid nematodes are monophyletic // FEBS Letters. V. 429. № 1. P. 4-8.

4. Aleshin V.V., Kedrova O.S., Milyutina I.A., Vladychenskaya N.S., Petrov N.B 1998

Relationships among nematodes based on the analysis of 18S rRNA gene sequences: molecular evidence for monophyiy of chromadorian and secernentean nematodes // Russian J Nematology. V. 6. № 2. P. 175-184.

5. Aleshin V.V., Milyutina I.A., Kedrova O.S., Vladychenskaya N.S., PetrovN.B 1998. Phylogeny

of Nematode and Cephalorhyncha derived from 18S rDNA // J. Molecular Evolution. V. 47. № 5. P. 597-605.

6. Алёшин ВВ., Владыченская НС, Кедрова ОС, Милютина И.А., Петров Н.Б 1999.

Вторичная структура шпильки 17 низшего многоклеточного животного Rhopalura ophiocomae (Mesozoa: Orthonectida) как пример "прерываемого равновесия" в эволюции 18S рибосомной РНК // Молекулярная биология. Т. 33. № 2. С. 319-329.

7. Aleshin V. V, Petrov N.B 1999. Implicaciones del gen 18S ARNr en la evolucien y filogenia de

los Arthropoda // Evolucion y Filogenia de Arthropoda / Eds. Melic A., De Haro J J, Méndez M„ Ribera I. // Boletín de la S.E.A. № 26. P. 177-196.

8. Milyutina I.A , Aleshin V.V., Mibjukov K.A., Kedrova O.S., Petrov N В 2001. The unusually

long small subunit ribosomal RNA gene found in amitochondriate amoeboflagellate Pelomyxa palustris: its rRNA predicted secondary structure and phylogenetic implication // Gene. V. 272. №1-2. P. 131-139.

9. Русин ЛЮ., Алёшин B.B, Владыченская Н.С, Милютина И.А., Кедрова О.С, Петров НБ.

2001. Первичная структура петель 35 и 48 малой рРНК свидетельствует, что Trefusiidae являются субтаксоном морских Enoplida (Nematode) // Молекулярная биология. Т. 35. №

5. С. 912-919.

Ю.Алёшин В.В., Петров Н.Б 2002. Молекулярные свидетельства регресса в эволюции

многоклеточных животных // Журнал общей биологии. 63. К» 3. С. 195-208. U. Петров НБ, Алёшин В.В. 2002. Условно-нейтральные филогенетические признаки крупных таксонов - новый аспект эволюции макромолекул // Генетика Т. 38 № 8. С. 1043-1062.

12. Kuvardina О N.. LeanderB.S., Aleshin V.V, Myl'nikov А.Р., KeelingPJ, Simdyanov TG. 2002. The phylogeny of colpodellids (Alveolata) using small subunit rRNA gene sequences suggests they are the free-living sister group to apicomplexans // J. Eukaryotic Microbiology. V. 49. №

6. P. 498-504.

13. Ntkolaev S.I., Berney С., FahrnU., Mylnikov A.P., Aleshin V. V., Petrov N.B., Pawlowski J. 2003. Gymnophrys cometa and Lecythium sp. are core Cercozoa: evolutionary implications // Acta Protozoologica. V. 42. № 3. P. 183-190. \A.Leander B.S, Kuvardina O.N, Aleshin V.V., Myl'nikov A.P., Keeling P.J. 2003. The free-living ancestry of apicomplexans: phytogeny of colpodellids (Alveolata) as inferred from small subunit rDNA // J. Eukaiyotic Microbiology. V. 50. № 5. P. 334-340.

15.Rusin L.Y., Aleshin V.V., Tchesunov A.V., Atrashkevich G.I. 2003. The 18S ribosomal RNA gene of Soboliphyme baturini Petrow, 1930 (Nematode: Dioctophymida) and its implications for phylogenetic relationships within Dorylaimia // Nematology. V. 5. № 4. P. 615-628.

16. Алёшин В. В 2004. Примитивно ли вариабельное дробление Enoplida (Nematode)?

Замечание к статье Д.А. Воронова «Сравнительная эмбриология нематод и закон зародышевого сходства» // Журнал общей биологии. Т. 65. № 1. С. 74-81.

17. Manylov O.G., Vladychenskaya N.S., Milyutina I.A., Kedrova O.S., Korokhov N.P.,

Dvoryanchikov G.A., Aleshin V.V., PetrovN.B. 2004. Analysis of 18S rRNA gene sequences suggests significant molecular differences between Macrodasyida and Chaetonotida (Gastrotricha) // Molecular Phylogenetics & Evololution. V.30. № 3. P. 850-854.

18. Nikolaev S.I., Berney C„ Fahmi J.F., Bolivar I, Polet S., Mylnikov A.P., Aleshin V. V., Petrov

N.B., Pawlowski J. 2004a. The twilight of Heliozoa and rise of Rhizaria, an emerging supergroup of amoeboid eukaryotes // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V. 101. № 21. P. 80668071.

19.Pegova A.N., Krasnova ED., Aleshin VV 2004. Evidence from the small and large ribosomal RNA structure suggests that Anoplostoma rectospiculum Gal4sova, 1976 (Nematoda: Anoplostomatidae) is a member of superfamily Enoploidea, not Oncholaimoidea // Nematology. V. 6. № 3. P. 413-422.

20.Nikolaev ST., Mylnikov A.P., Berney C„ Fahrni JF, Pawlowski J., Aleshin V.V, Petrov N.B 2004b. Molecular phylogenetic analysis place Pecrolomonas cosmopolitus within Heterolobosea: Evolutionary implications // J. Eukaryotic Microbiology. V.51. №5 P.575-581.

21. Алёшин B.B., Константинова A.B, Никитин MA , Окштейн ИЛ. 2004. О генетическом

однообразии рода Trichoplax (Placozoa) // Генетика Т. 40. № 12. С. 1714-1716.

Тезисы докладов и научно-популярные статьи

Алёшин В.В, Мыльников А П., Петров НБ 2005. Дерево корненожек // Природа № 8. С. 4046; там же, №9. С. 65-72. Алёшин В В, Петров Н Б 2003. Условно нейтральные признаки // Природа. № 12. С. 25-34.

Алёшин В В, Петров H Б 2001. Регресс в эволюции многоклеточных животных // Природа. № 7.62-70.

Алешин В В, Петров H Б. 2002. Регресс в эволюции многоклеточных животных / Российская паука: дорога жизни. Сб. научно-популярных статей / Под ред. Скулачева В.П. М.: Изд-во Октопус, 2002, сс. 185-195.

Алёшин В В 2004 Эукариоты, лишенные митохондрий // Биология в школе. № 3, там же, № 4.С. 5-9.

Алёшин В В 1999. Молекулярные признаки филогении беспозвоночных // Биология в школе. №7. С. 13-24.

Алешин В.В, Владыченская Н.С., Кедрова ОС, Милютина И.А., Петров КБ. 1998. Элементы вторичной структуры 18S рРНК свидетельствуют о происхождении двустороннесимметричных животных от Cnidaria // Молекулярная биология. Т. 32. № 2. С. 359-360.

Русин Л.Ю, Гагарин В.Г., Владыченская H С, Бпакстер М, Алёшин В.В. 2005. Происхождение Secrntntea и родственные связи основных трупп Chromadoria по результатам анализа структуры гена 18S рРНК / Тез. Шестого международного совещания Российского о-ва нематологов, 13-17 июня 2005, Москва. М.: Из-во ИнПА РАН, сс. 69-71.

Алёшин ВН., Михайлов KB, Никитин MA, Мыльников А П. 2005. Биоразнообразие одноклеточных эвкариотов: взгляд на филогению через структуру генов. Материалы Третьего съезда о-ва биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова. М.: МАКС Пресс, с. 9.

Nikolaev S.I., Berney С, FahrniJ.F., Bolivar Т, PoleíS., MylnikovA.P, Aleshin V.V., PetrovN.B, Pawlowski J. 2004. The twilight of Heliozoa and rise of Rhizaria : a molecular revolution in the phylogeny of amoeboid protests. Abstr. FEBS 2004 Congress // Eur. J. Biochem. Suppl. 1. P1.3-03. P. 29.

Алешин В.В, Петров H Б. 2004. Неравномерная эволюция молекулярных нейтральных признаков / Генетика в XXI веке: современное состояние и перспективы развития. Тез докл. Ш съезда ВОГИС, 6-17 июня 2004, Москва. Т. 2. С. 162.

Никитин М.А, Алёшин В.В. 2004. Структура тена рибосомального бекла rpS5 низших многоклеточных животных: гребневиков (Ctenophora) и Placoza / Генетика в XXI веке: современное состояние и перспективы развития. Тез. докл. Ш съезда ВОГИС, 6-17 топя 2004, Москва. Т. 1. С. 54.

Pegova AN., Krasnova E.D, Aleoshin V.V. 2003. Evidence from SSU rDNA of Anoplostoma rectospiculum (Galtsova, 1976) suggests that Anoplostomatidae is not related to Oncholaimidae. Тез. докл. Пятого международного симпозиума Российского общества нематологов, 13-17 июля 2003, Владивосток // Riiss. J. Nematol. V. 11. № 2. P.l 45.

Roussine L Y, De Ley P., Blaxter M, Vierstrate A, Aleoshin V V. 2003. The SSU rRNA gene as a phylogenetic marker for major groups of Nematoda Тез. докл. Пятого международного симпозиума Российского общества нематологов, 13-17 июля 2003, Владивосток // Russ. J. Nematol. V. 11. № 2. P. 145-146.

Aleshin V.V., RoussineL.Yu., MilyutinaI.A., Kedrova O.S., Vladichenskaja NS, PetrovN.B 2001 Analysis of 18S rRNA structure in Araeolaimida taxa shed light ob the internal topology of the monhysterid-secemmtian complex whithin the Nematoda // Russ. J. Nematol. V. 9 № 2 P. 143.

Roussine L.Yu., Aleshin VV., Milyutina IA , Kedrova О S„ Vladichenskaja N.S., PetrovNB. 2001. Primary structure of the loop of helices 35 and 48 of 18S rRNA suggests Trefusiida be a subtaxon of marine Eniolida (Nematoda) // Russ. J. Nematol. V. 9 № 2. P. 159-160.

ПетровНБ, МаныловОГ, Алёшин В В, Владыченская И С, КедроваОС, МилютинаИА 1999. Имеются ли молекулярные свидетельства ближайшего родства нематод и гастротрих'? Тез. Ш Международного симпозиума Российского общества нематологов, 1999, С-Петербург // Труды Зоологического Института РАН. Т. 280. С. 14-16.

Русин ЛЮ, Алёшин ВВ., Владыченская НС, Кедрова О.С, Милютина И А, Петров КБ 1999. Молекулярные доказательства филогенетической состоятельности группы Araeolaimida s str. Тез. Ш Международного симпозиума Российского общества нематологов, 1999, С-Петербург // Труды Зоологического Института РАН. Т. 280. С. 16.

Roussine LYu, De Ley P, Aleshin V. V, Petrov N.B. 2002. A simple molecular diagnostics of marine Enoplida // Nematology. V. 4. № 2. P. 178.

Roussine LYu, Aleshin V.V., Tchesunov A.V, Atrashhevich G.L 2002. SSU rRNA gene of Soboliphyme baturini Petrow, 1930 (Nematoda: Dioctophymida) and a reappraisal of molecular bounds of Dorylaimia. Abstract of the Fourth International Congress of Nematology, 8-13 June 2002, Tenbel, La Galletas, Arona, Tenerife, Canary Islands, Spain // Nematology. V. 4. № 2. P 178-179.

Aleshin VV, Kedrova OS., Milyutina LA , Mikrjukov K.A, Vladichenskaja NS., Petrov N.B. SSU rRNA gene of a giant microaerobic protist, Pelomyxa sp. is especially long. 3rd European Congress of Protistology, 26-30 July 1999, Helsingor, Denmark, p. 53A.

Принято к исполнению 18/11/2005 Исполнено 21/11/2005

Заказ № 1336 Тираж: 120 экз.

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Варшавское ш., 36 (095) 975-78-56 (095) 747-64-70 www.autoreferat.ru

220

РНБ Русский фонд

2006-4 28237

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Алёшин, Владимир Вениаминович

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ.

1.1. Основные положения, выносимые на защиту

1.2. Основные публикации по теме диссертации.

1.3. Научная новизна и значение материалов и основных положений диссертации

1.4. Структура диссертации.

1.5. Список сокращений.

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПРИЗНАКОВ В ФИЛОГЕНЕТИКЕ.

2.1. Необходимость независимых методов филогенетики.

2.2. Элементы сконструированного дерева.

2.2. Разнообразие методов молекулярной филогенетики.

2.3.1. Дистанционные (матричные) методы.

2.3.2. Метод максимальной экономии.

2.3.3. Метод минимальной эволюции.

2.3.4. Методы максимального правдоподобия.

2.3.5. Другие методы построения дерева.

2.3.6. Учет степени вариабельности сайтов.

2.3.7. Практика сравнения методов построения дерева.

2.4. Оценка «достоверности» филогенетических гипотез.

2.5. Трудности молекулярной филогенетики.

2.5.1. Выравнивание.

2.5.2. Недостаток филогенетически информативных признаков.

2.5.3. Проблема притяжения длинных ветвей.

2.5.3.1. Обнаружение длинных ветвей и регистрация эффекта их притяжения

2.5.3.2. Причины появления длинных ветвей.

2.5.3.3. Подходы к разрешению проблемы притяжения длинных ветвей.

2.6. Перспективы молекулярных методов филогенетики.

3. ЭЛЕМЕНТЫ МАКРОМОЛЕКУЛ КАК ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКИЕ МАРКЕРЫ.

3.1. Признаки крупных таксонов не подчиняются простым правилам нейтральной эволюции».

3.2. Кладистический анализ молекулярных синапоморфий как способ размещения «длинных ветвей» на филогенетическом дереве.

3.3. Признаки с переменной скоростью эволюции.

3.4. Градуалыюсть возникновения дискретных состояний.

3.5. Закон Долло для макромолекул.

3.6. Природа и филогенетическое значение признаков с переменной скоростью эволюции.

3.7. Вариабельные области рРНК как хранилище маркерных признаков.

3.8. Аксиоматика кладистического анализа.

4. ОБЩАЯ ЧАСТЬ.

4.1. Спираль 3.

4.2. Спирали 6, 7, 8.

4.3. Вариабельная область V2.

4.3.1. Трансверсии в области шпилька E10l Bilateria.

4.3.2. Инсерции во внутренней петле шпильки Е101. Модификации шпильки

Е101 у Deuterostomia: Ambulacraria.

4.4. Вариабельная область V3.

4.4.1. Область V3 микроспоридий.

4.4.2. Область V3 Heterolobosea.

4.4.3. Преобразование спирали 17 у Bilateria.

4.4.4. Особенности области V3 Mesozoa и Myxozoa.

4.5. Гипервариабельная область V4.

4.6. Спирали 24 и 25: примеры гомоплазий.

4.7. Спираль

4.8. Петли шпилек 35 и 48.

4.9. Спирали 42, 43,44. Гипервариабельная область V7.

4.10. Спираль 49. Гипервариабельная область V9.

5. СИСТЕМАТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

5.1. Общая характеристика внешней группы Metazoa.

5.1.1. Концепция "Archezoa".

5.1.2. Укоренение дерева эвкариотов и форма крист ближайшего общего предка.

5.1.3. Alveolata.

5.1.4. "Chromista" и "Chromalveolata".

5.1.5. Ближайшие родственники Metazoa.

5.2. Монофилия Metazoa.

5.3. Монофилия Bilateria.

5.4. «Низшие» Metazoa и сестринская группа Bilateria.

5.5. Положение на филогенетическом дереве Placozoa, Mesozoa, Myxozoa.

5.6. Основные группы Bilateria.

5.7. Начальная радиация Bilateria.

5.8. Lophotrochozoa: легкость выделения, трудности подразделения и интерпретации

5.9. Концепция Ecdysozoa против Articulata.

5.10. Эволюция Arthropoda.

5.10.1. Оценка гипотезы монофилии Mandibulata.

5.10.2. Клады насекомых, распознаваемые по вторичной структуре V7.

5.11. Филогения круглых червей (Nematoda).

5.11.1. «Низшие» Chromadoria.

5.11.2. Высшие Chromadoria.

5.11.3. Поляризация признаков Dorylaimia.

6. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

Список синапоморфных признаков таксонов высокого ранга.

ВЫВОДЫ.

Благодарности.

Заключение Диссертация по теме "Молекулярная биология", Алёшин, Владимир Вениаминович

выводы

Благодарности

Автор искренне благодарен Н.Б. Петрову, научному консультанту и соавтору большинства опубликованных по теме диссертации работ, за неоценимую многолетнюю бескорыстную помощь в огромном числе самых различных научных, методических и организационных вопросов. Многие представленные здесь результаты - это плод совместно задуманных и проведенных экспериментов, а многие выводы сформировались в результате общего обсуждения. Эта работа приобрела настоящий вид благодаря трудам соавторов большинства опубликованных работ: Н.С. Владыченской, О.С. Кедровой, И.А. Милютиной, А.П. Мыльникова, молодых коллег и учеников J1.IO. Русина, О.Н. Кувардиной, С.И. Николаева, М.А. Никитина, A.B. Константиновой, К.В. Михайлова, а также коллег - соавторов, чье участие в этой работе было не столь постоянным, но тем не менее весьма важным: А.Н. Пеговой, Т.Г. Симдянова, О.Г. Манылова; И.Л. Окштейна, К.А. Микрюкова, A.B. Чесунова, В.Г. Гагарина, Е.Д. Красновой, Г.И. Атрашкевича, Г.С. Слюсарева, Я. Павловского, П. Киллинга и других. Автор выражает им свою искреннюю благодарность. Автор искренне благодарен A.C. Антонову, зав. отделом эволюционной биохимии и главе научной школы, в рамках которой выполнена настоящая работа. Без его всесторонней помощи и доброжелательной критики эта работа вряд ли была бы реализована как законченная рукопись. Ряд разделов диссертации сформирован по советам A.C. Антонова, а некоторые вопреки им. Автор благодарен сотрудникам отдела эволюционной биохимии за поддержку экспериментальной работы, коллегам, потратившим немалое время на сбор и определение материала, а также друзьям, чьи замечания и критические возражения способствовали постановке некоторых вопросов и выработке более точных формулировок выдвигаемых здесь положений.

Библиография Диссертация по биологии, доктора биологических наук, Алёшин, Владимир Вениаминович, Москва

1. Алёшин В.В. 2004. Примитивно ли вариабельное дробление Enoplida (Nematoda)? Замечание кстатье ДА. Воронова «Сравнительная эмбриология нематод и закон зародышевого сходства» // Журн. общ. биологии. Т. 65. № 1. С. 74-80.

2. Алёшин В.В., Владыченская Н.С., Кедрова О.С., Милютина И.А., Петров Н.Б. 1995.

3. Сравнение генов 18S рибосомной РНК в филогении беспозвоночных // Молекуляр. биология. Т. 29. № 6. С. 1408-1426.

4. Алёшин В.В., Владыченская Н.С., Кедрова О.С., Ммютина И.А., Петров Н.Б. 1998. Элементывторичной структуры 18S свидетельствуют о происхождении двустороннесимметричных животных от Cnidaria // Молекуляр. биология. Т. 32. № 2. С. 359-360.

5. Алёшин В.В., Владыченская Н.С., Кедрова О.С., Милютина И.А., Петров Н.Б. 1999.

6. Вторичная структура шпильки 17 низшего многоклеточного животного Rhopalura ophiocomae (Mesozoa: Orthonectida) как пример "прерываемого равновесия" в эволюции 18S рибосомной РНК // Молекуляр. биология. Т. 33. № 2. С. 319-329.

7. Алёшин В.В., Мыльников А.П., Петров Н.Б. 2005. Дерево корненожек II Природа. № 8. С. 4046; там же, № 9.

8. Алёшин В.В., Петров Н.Б. 2002. Молекулярные свидетельства регресса в эволюциимногоклеточных животных // Журн. общ. биологии. Т. 63. № 3. С. 195-208.

9. Антонов A.C. 1974. Геносистематика: достижения, проблемы и перспективы // Успехи совр.биол.Т. 77. №2. С. 31-47.

10. Антонов A.C. 1986. Эволюция генов растений: вызов теории «молекулярных часов» //1. Природа. № 7. С. 68-77.

11. Антонов A.C. 1999. Существуют ли молекулярные предпосылки ревизии филогении исистемы высших растений? // Журн. общ. биологии. Т. 60. № 3. С. 245-276.

12. Антонов A.C. 2000. Основы геносистематики высших растений. М.: МАИК

13. Наука/Интерпериодика». 135 с.

14. Антонов А. С., Владыченская Н.С., Петров Н.С. 1971. Выделение препаратов ДНК из тканейбеспозвоночных животных и высших растений, фиксированных спиртом // Биол. науки. № 8. С. 137.

15. Антонов А. С., Троицкий A.B. 1986. Результаты изучения эволюции рРНК растенийзаставляют усомниться в универсальности гипотезы «молекулярных часов» // Журн. эволюц. биохимии и физиологии. С. 343-350.

16. Беклемишев В.Н. (1928). Методология систематики. M: КМК Scientific Press Ltd., 1994. 250 с.

17. Беклемишев В.Н. 1964. Основы сравнительной анатомии беспозвоночных. Т. 1.

18. Проморфология. М.: Наука. 432 с.

19. Беклемишев КВ. 1974. О возможных и осуществленных направлениях эволюциибеспозвоночных// Журн. общ. биологии. Т. 35. № 2. С. 209-222.1617,18.

Информация о работе

Алёшин, Владимир Вениаминович
доктора биологических наук
Москва, 2005
ВАК 03.00.03

Диссертация

Синапоморфные признаки в РНК малой субъединицы рибосом беспозвоночных - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы