Эволюция бесполых линий: эколого-генетические механизмы происхождения и поддержания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат биологических наук Попадьин, Константин Юрьевич

• Попадьин, Константин Юрьевич
• кандидат биологических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Попадьин, Константин Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 ЭВОЛЮЦИЯ АПОМИКСИСА И АМФИМИКСИСА.

1.1 преимущества и недостатки альтернативных форм размножения.

1.2 возможные причины доминирования полового размножения.

1.3 происхождение рекомбинации, амфимиксиса и анизогамии.

2 ПРОИСХОЖДЕНИЕ БЕСПОЛЫХ ВИДОВ.

2.1 темп мутирования бесполых видов.

2.2 гипотеза подвижного мутационно-селективного равновесия.

2.3 последствия принятия гипотезы подвижного мутационно-селективного равновесия.

3 ПОДДЕРЖАНИЕ БЕСПОЛЫХ ЛИНИЙ: ПРИЧИНЫ ЭВОЛЮЦИОННОГО УСПЕХА ДРЕВНИХ БЕСПОЛЫХ ЛИНИЙ.

3.1 коловратки Вс1е1кнс1еа и пресноводные ракушковые рачки Оаг\упшНс1а.

3.2 нерекомбинирующие участки генома эукариот.

3.2.1 эволюция У хромосомы.

3.2.2 эволюция митохондриального генома: сравнительный анализ генов окислительного фосфорилирования.

3.2.2.1 очищающий отбор в митохондриальных протеин кодирующих генах млекопитающих и а-протеобактерий.

3.2.2.2 очищающий отбор в митохондриальных протеин кодирующих генах разных отрядов млекопитающих.

3.3 общие особенности древних бесполых линий.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эволюция бесполых линий: эколого-генетические механизмы происхождения и поддержания»

Эволюционная теория в основном развивалась применительно к организмам, размножающимся половым путём, в результате чего многие формулируемые в её рамках представления (например, концепция вида) не могут быть непосредственно распространены на бесполые организмы. Определяя эволюцию как процесс накопления благоприятных мутаций и элиминации вредных, необходимо изучить особенности его протекания в бесполых популяциях и нерекомбинирующих участках ДНК: как они накапливают благоприятные мутации, насколько эффективно очищаются от вредных, и каков сам по себе темп мутирования бесполых линий по сравнению с половыми? Ответы на данные вопросы должны объяснить всё ещё нерешённую загадку доминирования полового размножения - а именно, почему большинство эукариотических видов на Земле имеет половое, а не бесполое размножение?

Для понимания индивидуальной предрасположенности человека к современным болезням мы должны понимать наше генетическое прошлое, что является целью новой дисциплины - эволюционной медицины (Ruiz-Pesini et al., 2004). Поэтому, практический аспект данного исследования связан с изучением характеристик мутационно-селективного равновесия нерекомбинирующих участков ДНК человека, таких как митохондриальный геном и специфичный для самцов регион Y хромосомы. Каково среднее количество слабовредных мутаций на митохондриальный геном, каков средний коэффициент отбора этих мутаций и происходит ли эффективное удаление всех новых мутаций за счёт очищающего отбора, или они накапливаются? Неэффективное удаление или даже накопление слабовредных мутаций на этих нерекомбинирующих участках будет говорить о падении приспособленности человека за счёт мутаций в этих регионах и, следовательно, о большом вкладе нерекомбинирующих участков в детерминацию болезней человека. Также, в связи с отсутствием рекомбинации и пониженной по сравнению с аутосомами эффективной численности митохондриального генома и Y хромосомы человека, именно в них ожидается повышенная скорость накопления мутаций старения - то есть множества вредных в пострепродуктивный период аллелей (DILL - Deleterious In Late Life), зафиксировавшихся в популяции человека (Cortopassi, 2002). Картирование сайтов митохондриального генома всех млекопитающих, находящихся под разным давлением отбора, поможет выявлять мутации, ассоциированные с болезнями человека.

Вопросы происхождения и поддержания бесполых видов важны при поиске средств борьбы со многими бесполо размножающимися популяциями сельскохозяйственных вредителей. Из-за отсутствия генетической изменчивости внутри бесполых линий, бесполые организмы имеют большие потенциальные приложения для биомониторинга.

Более глубокие знания молекулярных механизмов "выживания" бесполых видов в отсутствии мейоза могут быть существенны для прогресса в технологии искусственного клонирования (Loxdale, Lushai, 2003). Если искусственное клонирование получит дальнейшее распространение, то знание динамики бесполых видов в природе поможет прогнозировать возможные последствия искусственного клонирования. Цели и задачи исследования

Цель работы - выявить эколого-генетические особенности, присущие бесполым видам и нерекомбинирующим участкам ДНК, и проанализировать их возможный адаптивный смысл. Конкретные задачи сводились к следующему:

1. проанализировать распределения вредных мутаций в бесполых популяциях, произошедших от половой популяции при различных условиях;

2. выявить эколого-генетические особенности древних бесполых организмов на примере коловраток класса Bdelloidea и пресноводных ракушковых рачков семейства Darwinulidae;

3. выявить особенности строения и молекулярной эволюции Y хромосомы и митохондриального генома;

Научная новизна

Проблема эволюции в отсутствии полового размножения достаточно давно и обстоятельно обсуждалась теоретиками (Maynard Smith, 1978; Bell, 1982; Stearns, 1988), однако, большинство важных экспериментальных данных, относящихся к данной области и активно используемых в данной работе, появилось лишь в самое последнее время. Поэтому мы получили возможность проверки новых экспериментальных данных в контексте давно известных эволюционных теорий.

На основе литературных данных и их анализа с применением численных методов мы сформулировали гипотезу происхождения бесполых видов, базирующуюся на особенностях распределения вредных мутаций в половых и бесполых популяциях. Данная гипотеза объясняет редкость происхождения высоко приспособленных бесполых видов.

Впервые проведён параллельный анализ древних бесполых видов и древних нерекомбинирующих участков ДНК, в результате чего выявлены их общие особенности и возможный адаптивный смысл.

При сравнении протеин-кодирующих генов митохондрий млекопитающих и их ортологов (гомологичных последовательностей ДНК, разошедшихся в результате специализации) у а-протеобактерий, получены свидетельства достаточно эффективного удаления слабо-вредных мутаций из митохондриальных геномов. Также, обнаружена тесная связь экологических (масса тела, включение вида в Красную книгу) и генетических (dN/dS) характеристик млекопитающих, что согласуется с эффективно-нейтральной теорией молекулярной эволюции.

Ниже перечислены ключевые эксперименты, результатами которых мы пользовались при построении своих моделей и анализе.

• В течение нескольких десятилетий предполагалось, что коловратки Bdelloidea являются древними бесполыми организмами (то есть не имеют полового размножения в течение десятков миллионов лет), однако это предположение было убедительно доказано лишь в 2000 году (Mark Welch, Meselson, 2000). Также недавно был доказан древний бесполый статус рачков Darwinulidae (Schoen, Martens, 2003). В связи с этим большой объём информации о специфических особенностях данных групп приобрёл новый научный оттенок и потребовал анализа с точки зрения эволюции в отсутствии полового размножения (Popadin, 2003).

• До сих пор интенсивно исследуются и обсуждаются три процесса, приводящие к пониженному темпу мутирования бесполых популяций: мутагенность процесса рекомбинации (Lercher, Hurst, 2002; Filatov, Gerrard, 2003; Filatov, 2004), повышенная мутагенность самцов (Hurst, Ellegren, 1998; Lander et al., 2001; Li et al., 2002) и инактивация мобильных генетических элементов в бесполых видах (Arkhipova, Meselson, 2000). Основываясь на литературном анализе и аргументах изложенных в данной работе, мы принимаем справедливость этих трёх утверждений и используем их при построении гипотезы происхождения бесполых видов.

• Несмотря на классическое представление о том, что митохондриальный геном млекопитающих не подвергается рекомбинации, в последнее десятилетие появлялось много данных, свидетельствующих о редких случаях гомологичной рекомбинации митохондриальных геномов человека (Eyre-Walker, Awadalla, 2001). Однако, популяционно-генетический анализ генов митохондрий опроверг влияние этих редких случаев (если они имеют место вообще) на эволюцию митохондриальных геномов (Piganeau, Eyre-Walker, 2004). Таким образом, мы считаем, что период неопределённости закончен и обсуждаемые в нашей работе митохондриальные гены млекопитающих не подвергаются гомологичной генетической рекомбинации. Данное утверждение позволяет нам использовать митохондриальные геномы млекопитающих в качестве модельного бесполого генома.

• Большое количество недавно появившихся полностью отсеквенированных митохондриальных геномов млекопитающих (более 100) и полных геномов бактерий (в частности около 20 а-протеобактерий) позволило провести сравнительно геномный анализ, который ранее был невозможен.

• Недавно открытая (Skaletsky et al., 2003; Rozen et al., 2003) палиндромная организация генов на специфичном для самцов участке Y хромосомы человека и шимпанзе, подсказала нам дополнительный механизм эффективной элиминации слабо вредных мутаций в не рекомбинирующих генах. Содержание работы

В начале восьмидесятых годов, Мэйнард Смит (Maynard Smith, 1971) сравнив половое и бесполое размножение, сформулировал тезис о "двукратном преимуществе бесполого размножения" или "цене самцов". Суть его заключается в том, что бесполая самка, впервые возникшая в половой анизогамной популяции, будет иметь вдвое большую приспособленность, поскольку не тратит энергию на самцов а производит вдвое больше самок [глава 1.1]. Несмотря на всю простоту этого утверждения именно оно побудило весь научный мир на дальнейшее исследование этого парадокса.

Поскольку единственным возможным объяснением существования, а тем более доминирования, полового размножения является наличие какого-то скрытого преимущества, способного компенсировать затраты на самцов - на поиски этого преимущества и были направлены дальнейшие усилия. Данный этап был весьма плодотворным и более чем двадцать появившихся гипотез описывают, пожалуй, все возможные выгоды, даваемые половым размножением [глава 1.2]. Согласно некоторым гипотезам при половом размножении благоприятные мутации способны комбинироваться вместе, ускоряя эволюцию в быстроменяющейся среде (так называемые "экологические гипотезы"), согласно другим - слабо-вредные мутации элиминируются из половой и бесполой популяций с разной эффективностью ("мутационные гипотезы"). Поскольку за последние 10-15 лет не появилось ни одной принципиально новой гипотезы, можно считать что этап генерации гипотез закончен, и дело осталось лишь за их экспериментальной проверкой и выбором из них наиболее универсальной.

Помимо поддержания полового размножения, нерешённым остаётся вопрос о его происхождении. Хотя, некоторые авторы эти проблемы разделяют, мы полагаем, что особенности возникновения какого-либо признака могут сказываться на механизмах его поддержания в связи с чем и обсуждаем один из сценариев происхождения полового размножения [глава 1.3].

Во второй и третьей главах мы переходим непосредственно к анализу особенностей бесполого размножения. Каким образом эволюция полового размножения связана с эволюцией бесполого размножения? Во-первых, универсальная гипотеза доминирования полового размножения должна указывать на основной недостаток бесполого размножения, который в свою очередь должен объяснять причину вымирания большинства бесполых видов и особенности их географического распространения. Во-вторых, поскольку все бесполые популяции являются производными от половых родительских популяций, эколого-генетические характеристики родительской половой популяции и дочерней бесполой важны для понимания законов перехода от одного типа размножения к другому. Этот переход становится особенно важным в свете недавно появившихся данных о пониженном темпе мутирования бесполых организмов [глава 2.1]. Анализируя эволюционно-генетическую структуру половых и бесполых популяций с помощью численных методов, и тестируя различные сценарии происхождения бесполых популяций от половых, мы находим наиболее оптимальный сценарий происхождения бесполых видов, которому должен благоприятствовать отбор. В результате мы формулируем гипотезу подвижного мутационно-селективного равновесия, которая объясняет особенности происхождения бесполых видов [глава 2.2].

Особенности поддержания бесполых линий также неизвестны, как и правила их происхождения. Широко принятое мнение о том, что все бесполые виды быстро вымирают, недавно было опровергнуто при исследовании коловраток Вёе11о1ёеа. Убедительно доказано, что предок этого класса коловраток потерял половое размножение много десятков миллионов лет назад и всё последующее видообразование (появление 360 видов с совершенно различными экологическими нишами) произошло в бесполом состоянии. Похожая исключительная ситуация обнаружена с пресноводным ракушковым рачком Оапути1а $1е\етот. Таким образом, встают новые вопросы: почему большинство бесполых видов быстро вымирает, а некоторые из них всё-таки выживают и достигают настоящего эволюционного рассвета? Каковы экологические и генетические особенности древних бесполых организмов?

В поисках ответов на данные вопросы мы проанализировали данные обо всех бесполых видах и "бесполых" генах вместе. Для этого мы рассмотрели экологические и генетические характеристики коловраток класса Вёе11о1ёеа и рачков семейства ОапутиНёае [глава 3.1], а также проанализировали особенности молекулярной эволюции У хромосомы [глава 3.2.1] и митохондриального генома млекопитающих [глава 3.2.2]. В заключении будут получены общие особенности всех древних бесполых линий, которые укажут наиболее "слабые места" бесполых организмов, и, таким образом, помогут объяснить причины доминирования полового размножения.

Заключение диссертации по теме «Экология», Попадьин, Константин Юрьевич

выводы

1. На основе анализа литературных данных показано, что основной вклад в мутирование организмов из половых популяций вносят гаметогенез самцов, мутагенные эффекты гомологичной рекомбинации и транспозиция мобильных генетических элементов. Следствием этого является существенно пониженный (в 5-30 раз) темп мутирования бесполых и факультативно-половых организмов, по сравнению с облигатно-половыми.

2. Оценка параметров распределений слабо-вредных мутаций в половых и бесполых популяциях позволила сформулировать гипотезу "подвижного мутационно-селективного равновесия", объясняющую происхождение высоко-приспособленных и, следовательно, долгоживущих бесполых видов от факультативно-половых предков,

3. Показано, что большинство молодых бесполых линий, таких как нео-У хромосома и эндосимбиотические бактерии демонстрируют признаки накопления слабо-вредных мутаций, тогда как для древних бесполых линий характерен пониженный темп фиксации слабо-вредных мутаций, обусловленный интенсивной генной конверсией и гомоплазмией.

4. Сравнительно-геномный анализ митохондриальных генов млекопитающих и а-протеобактерий показал эффективность очищающего отбора в митохондриальных генах, что опровергает положение о накоплении слабо-вредных мутаций в митохондриальных геномах млекопитающих.

5. молекулярная эволюция митохондриальных генов хорошо описывается эффективно-нейтральной теорией, о чем свидетельствуют результаты сравнительно-геномного анализа митохондрий млекопитающих, а именно: a. темп накопления несинонимичных замещений относительно синонимичных (сШ/с18) выше у крупных млекопитающих, b. отношение числа радикальных к консервативным аминокислотным замещениям выше у крупных млекопитающих, c. значения сШ/сШ положительно коррелируют с вероятностью вымирания млекопитающих.

1.3 ПРОИСХОЖДЕНИЕ РЕКОМБИНАЦИИ, АМФИМИКСИСА и АНИЗОГАМИИ, ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРОИСХОЖДЕНИЕ РЕКОМБИНАЦИИ Генетическая рекомбинация является лейтмотивом жизни. Первая живая РНК-молекула (рибозим) была способна к рекомбинации с другими такими же молекулами за счёт механизма автосплайсинга (персональное сообщение Томаса Чеха (Thomas Cech); Devoret, 1988; Shibata, 2001). Генетическая рекомбинация посредством трансформации, конъюгации и трансдукции является важным фактором эволюции большинства прокариот (Maynard Smith, 1993, Guttman, Dykhuizen 1994, Doolittle, 2003). Именно у них надо искать истинные преимущества генетической рекомбинации, как у одной из древних и простых систем генетического обмена. Однако, все три пути рекомбинации бактерий могли появиться за счёт факторов, не связанных с

23 генетической рекомбинацией per se. Так, вектор-обусловленная конъюгация и трансдукция приводят к распространению плазмид и фагов, и генетический обмен, происходящий при этом, считается не отбираемым, побочным эффектом. Трансформация же, помимо рекомбинантной роли, может играть важную роль в репарации двуцепочечных разрывов (Michod, 1988) и использовании ДНК в качестве источника питательных веществ. Причём хорошие экспериментальные подтверждения существуют лишь для самой последней функции трансформации - переваривания ДНК (Redfield, 1993). Таким образом, представляется сомнительным, что генетическая рекомбинация бактерий возникла из-за краткосрочного преимущества рекомбинантного потомства.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ФАКУЛЬТАТИВНОГО АМФИМИКСИСА Поддержание генетического обмена у эукариот теми прямыми и простыми способами как это происходит у прокариот, скорее всего, было невозможно из-за более сложного уровня компартментализации ДНК. В результате, должен был появиться более специализированный процесс, такой как мейоз. Возможно, что инициализировать появление древнего мейоза могли мобильные генетические элементы (Hickey 1982; Hickey, Rose, 1988; Hickey, 1993), сходным образом, как плазмиды детерминируют бактериальную конъюгацию (вставка 1). Таким образом, появление амфимиксиса эукариот также могло быть индуцировано процессом не связанным с генетической рекомбинацией самой по себе.

Вставка 1. Происхождение полового размножения - роль мобильных элементов

Данная концепция интерпретирует происхождение полового размножения как результат эволюции мобильных генетических элементов, которым для заселения новых генотипов необходим процесс обмена генетической информации между организмами. Концепция базируется на следующих основных аргументах.

Широко известна инфекционная природа бактериальной сексуальности (Levin, 1988), когда способность к конъюгации между двумя бактериями определяется наличием специальной кольцевой молекулы ДНК -половой плазмиды (F-плазмида у Е. coli). В процессе конъюгации двух клеток, новый (незаражённый) геном контактирует с молекулярным симбионтом (плазмидой), в результате чего молекулярный симбионт заражает новый геном. Поскольку конъюгация увеличивает выживаемость молекулярных симбионтов, те из них, которые способны индуцировать этот процесс, повышают свою собственную приспособленность. Следовательно, на начальном этапе эволюции полового размножения именно индукция конъюгации молекулярными симбионтами могла сыграть решающую роль. У большинства современных бактерий эволюция полового размножения на этой стадии и остановилась, однако у эукариот процесс пошёл дальше. При появлении эукариотической клетки в результате симбиоза (Маргелис, 1983) составившие её прокариоты (нынешние митохондрии и хлоропласты) могли нести с собой половые плазмиды, которые стали влиять на эукариотную клетку подобно тому, как они влияли на свободноживущие бактерии, то есть индуцировать конъюгацию. Существуют, например, данные, свидетельствующие о том, что молекулярные симбионты могут содействовать конъюгации даже между эукариотными клетками (Hurst, 1991). Далее, возможно из-за наличия обособленного ядра у эукариот, для эффективного обмена генетическим материалом и молекулярными симбионтами между клетками, возникла необходимость в кариогамии. Сингамия, последующее разделение клеток, удвоение гомологичных хромосом перед редукционным делением и появление кроссинговера также могут быть индуцированы молекулярными симбионтами (Bell, 1993).

Из данной гипотезы следует, что транспозоны изначально должны были генетически контролировать процесс полового размножения. Конечно же, транспозонное происхождение генов, кодирующих половое размножение, сильно "затуманилось" миллиардом лет эволюции, однако, сейчас появляется всё больше и больше молекулярных данных, выявляющих транспозоноподобную природу основных структурных участков хромосомы, например, таких как теломеры (Arkhipova, Morrison, 2001; Arkhipova et al., 2003) центромеры, и интроны (Bell, 1993). Также всё больше подтверждений находит поразительное сходство межцу механизмом репликации молекулярных симбионтов и процессом генетической рекомбинации (Bell, 1993). Более детальное описание происхождения генов, участвующих в рекомбинации, будет очень интересным - с позиции данной гипотезы эти гены также должны иметь транспозонную природу.

Данная гипотеза не выходит за рамки классического дарвиновского объяснения происхождения новой функции, когда каждое мелкое изменение изначального состояния имеет свои преимущества и поэтому под держивается отбором (Bell, 1993). В этой гипотезе признаётся, что генетическая рекомбинация, являющаяся наиболее важной особенностью полового размножения, появилась как следствие эволюции молекулярных симбионтов, а не сама по себе в результате какого-то краткосрочного преимущества.

Дальнейшее поддержание полового размножения за счёт мобильных элементов было невозможно, поскольку в популяции мог возникнуть бесполый мутант, не чувствительный к транспозонам, который при всех прочих равных обладал бы преимуществом. Поэтому, некоторые краткосрочные (мутационная детерминистическая гипотеза) или долгосрочные (храповик Мёллера, гипотеза Чёрной Королевы) механизмы должны в настоящее время поддерживать амфимиксис. Однако, происхождение генетической рекомбинации (за счёт распространения векторов, репарации и питания) и амфимиксиса (за счёт мобильных элементов) за счёт факторов, напрямую не связанных с генетической рекомбинацией, делает более вероятным нынешнее поддержание этих процессов за счёт долгосрочного преимущества, то есть за счёт группового отбора (Попадьин, 2003). В своей классической работе о групповом отборе Мэйнард Смит (Maynard Smith, 1964) описывает наиболее сложный этап в фиксации признака, выгодного группе, как образование изолированной группы особей, обладающих "социальным" геном, который выгоден группе и невыгоден организму: поскольку этот ген невыгоден отдельному индивидууму, образование целой группы таких организмов может произойти только за счёт генетического дрейфа, что вероятное всего при очень малом размере группы (в идеале - 1 организм). Группа должна быть изолирована от остальных особей данного вида, поскольку она не устойчива к проникновению в неё хотя бы одного "анти-социального" индивидуума. В нашем случае, группой являются те особи популяции, у которых есть мобильные элементы, индуцирующие половое размножение (F-плазмида), и размер этой группы может быть очень большим, поскольку F-плазмида активно распространяется сама, и не подвержена генетическому дрейфу. "Анти-социальные" особи - организмы без F-плазмиды, и размножающиеся бесполо, становятся "социальными" после заражения F-плазмиды. Таким образом, в связи с особенностями происхождения генетической рекомбинации, мы считаем, что поддержание этого процесса может происходить за счёт группового отбора.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ОБЛИГАТНОГО АМФИМИКСИСА

Первые половые организмы были факультативно половыми, как большинство современных протист, и дальнейшее появление облигатного полового размножения хорошо коррелирует с происхождением многоклеточности (Dack, Roger, 1999). Таким образом, на протяжении последующей эволюции эукариот, половое размножение становилось всё более регулярным и облигатным, что можно связать с повышением общего уровня организации и сложностью комбинирования двух альтернативных способов размножения в одном жизненном цикле (как у редких таксонов циклически партеногенетических организмов).

ПРОИСХОЖДЕНИЕ АНИЗОГАМИИ Последнее, наиболее молодое приобретение эукариот - анизогамия, привело (по крайней мере, формально) к появлению "цены самцов" и буму парадокса полового размножения. Однако, очевидно, что смысл этой "цены самцов" был сильно преувеличен (Hickey, 2000). "Цена самцов" - цена анизогамии, а не полового размножения, поэтому, вероятнее всего, компенсировать эту цену в эволюции должен был процесс, появившийся одновременно с анизогамией — половой отбор. Таким образом, мы считаем, что "цена самцов" должна полностью компенсироваться преимуществом самцов, обусловленным мощным половым отбором (смотрите гипотезу Мэннинга), а не чем-то другим.

Таким образом, далее мы не должны искать двукратное преимущество полового размножения, а должны объяснить универсальность генетической рекомбинации, что является задачей более широкой, и три гипотезы, рассмотренные нами выше, остаются в силе (кроме гипотезы Мэннинга, которая должна компенсировать цену анизогамии, и далее обсуждаться не будет). Хотя точной цены процесса генетической рекомбинации мы не знаем, очевидно, что она есть и что у половых эукариот она больше чем у прокариот из-за облигатности полового процесса и больших энергетических потерь в мейозе (смотрите классификацию Левиса - таблица 1).

Интересно отметить, что внимание учёных часто было обращено лишь к одной из обсуждаемых выше четырёх ступенек. Так например, только анизогамия ведёт к "цене самцов" Мэйнард Смита, только амфимиксис (мейоз сам по себе) ведёт к "цене мейоза" Вильямса, и оба эти новообразования (без происхождения генетической рекомбинации самой по себе) были удостоены названия "Большого перехода" в эволюции (Major transitions: Maynard Smith, Szathmary, 1996, 1999).

2 ПРОИСХОЖДЕНИЕ БЕСПОЛЫХ ВИДОВ

Недавно были описаны три механизма, прямым или косвенным образом приводящие к уменьшению темпа мутирования бесполых организмов:

1) инактивация мобильных генетических элементов в бесполых геномах;

2) повышенная мутабильность самцов;

3) мутагенные эффекты генетической рекомбинации.

Действие всех этих факторов совместно может уменьшить темп мутирования бесполых организмов более чем на порядок, что оказывает существенное влияние на разбираемые нами гипотезы поддержания полового размножения.

Пониженный темп мутирования приводит к уменьшению среднего числа слабовредных мутаций в бесполой популяции, и, соответственно, увеличению её средней приспособленности (Charlesworth, 1990). Увеличение приспособленности бесполой популяции относительно половой приведёт к несостоятельности мутационной детерминистической гипотезы (Redfield, 1994; Kondrashov, 1994). Однако, если в бесполой популяции по каким-либо причинам наилучшие организмы (организмы с минимальным числом слабо-вредных мутаций) имеют ненулевое количество вредных мутаций, то увеличение средней приспособленности бесполой популяции будет ограничено приспособленностью этих организмов - это обусловлено невозможностью восстановления, в отсутствии рекомбинации, организма менее отягощенного вредными мутациями чем самый лучший организм, существующий в этой популяции (Muller, 1950, 1964).

Применительно к происхождению бесполых популяций от половых, важным является число вредных мутаций у первого бесполого мутанта, поскольку именно оно определяет максимально-возможную для бесполой популяции приспособленность. Отбор будет благоприятствовать тем бесполым популяциям, которые произошли от основателя с меньшим числом слабо-вредных мутаций.

Мы предлагаем гипотезу подвижного мутационно-селективного равновесия, согласно которой минимальное количество вредных мутаций должны иметь бесполые организмы, произошедшие в факультативно-половой родительской популяции. В такой популяции, с одной стороны, работают все три процесса, уменьшающие темп мутирования (в этом факультативно-половая популяция похожа на бесполую популяцию), а с другой стороны, из-за наличия редкой генетической рекомбинации вся популяция способна восстанавливать наилучшие генотипы и, таким образом, менять своё мутационно-селективное равновесие, следуя за уменьшаемым темпом мутирования (в этом факультативно-половая популяция похожа на облигатно-половую популяцию).

После обоснования бесполой популяции (достижения ею мутационно-селективного равновесия), как правило, её средняя приспособленность уменьшается за счёт необратимого случайного накопления слабо-вредных мутаций (храповик Мёллера) и/или за счёт

27 медленного темпа эволюции (гипотеза Чёрной Королевы). Поэтому чем меньше стартовое число мутаций, тем больший будет эволюционный потенциал у бесполой линии. Таким образом, повышенный средний возраст бесполых линий, произошедших от факультативно-половых родительских популяций по сравнению с линиями, произошедшими от облигатно-половых популяций, будет служить эмпирическим подтверждением данной гипотезы.

2.1 ТЕМП МУТИРОВАНИЯ БЕСПОЛЫХ ВИДОВ

Существует три возможные причины более низкого темпа мутирования бесполых организмов по сравнению с половыми:

1. Повышенная мутабильность самцов (male-driven evolution) хорошо доказана для приматов, птиц и грызунов (Li et al., 2002; Hurst, Ellegren, 1998; Lander et al., 2001), однако, по-видимому, её нет у Drosophila (Brain Charlesworth - персональное сообщение). В большинстве случаев, наиболее убедительная информация о большей мутабильности самцов была получена при сравнении генов на разных хромосомах. Хорошо известно, что аутосомы, Y хромосома и X хромосома в среднем проводят разное время в самцах. Отсюда, можно оценить отношение темпа мутирования самцов к темпу мутирования самок (а). Так, например, £ = ^ = (¡+¿5; з^т^у» поэтому а может быть оценена при сравнении пары гомологичных нефункциональных участков ДНК, где темп замещения нуклеотидов равен темпу мутирования. У приматов а оценивается как 4-6. Причины повышенной мутабильности самцов связываются с большим количеством митотических делений гамет самцов, по сравнению с самками. Причём, отношение числа клеточных делений половых клеток самцов и самок примерно совпадает с обнаруженным соотношением числа новых мутаций у самцов и самок (Li et al., 2002). Более точная оценка а, пользуясь описанным выше эволюционным подходом, затруднена в связи с локальными вариациями в темпе мутирования из-за разного содержания CpG и разной частоты рекомбинации, которая также является мутагенной (см. ниже).

2. Мутагенность генетической рекомбинации. При сравнении геномов человека и мыши обнаружена положительная корреляция между частотой рекомбинации определённого участка ДНК и полиморфизма нуклеотидов на нём (Lercher, Hurst, 2002), что может хотя бы частично объясняться мутагенным эффектом рекомбинации. Второе косвенное подтверждение получено при анализе псевдоаутосомного региона Y хромосомы, который является небольшим по размеру, но подвергается интенсивной рекомбинации - на нём также обнаружен избыточный полиморфизм нуклеотидов, который может объясняться часто появляющимися новыми мутациями (Filatov, Gerrard, 2003; Filatov, 2004).

Альтернативным объяснением пониженного нуклеотидного полиморфизма в регионах с низким темпом рекомбинации является эффект "попутного транспорта", когда

28 положительно отбираемый аллель тянет за собой весь фон мутаций в нерекомбинирующем участке ДНК. В этом случае ожидается, что корреляция должна ограничиваться кодирующими участками, где точечные мутации находятся под наиболее сильным отбором, однако корреляция остаётся значимой и при анализе всех не кодирующих протеины участков геномов, в которых не ожидается сильного положительного отбора (Lercher, Hurst, 2002).

Причина мутагенности рекомбинации может заключаться в неточной репарации (появление точечных мутаций) двуцепочечных разрывов ДНК, которые инициируют процесс рекомбинации. Появление точечных мутаций при митотической рекомбинации у дрожжей было экспериментально доказано (см. Lercher, Hurst, 2002).

Мутагенность самцов (1) обусловлена повышенным темпом мутирования во время репликации ДНК (то есть во время каждого митоза); мутагенность же рекомбинации (2) обусловлена тем, что при мейозе, темп мутирования намного выше, чем при обычном митозе. Если вклад мутагенности рекомбинации намного сильнее вклада мутабильности самцов, то среднее число новых мутаций на геном на поколение определяется одним раундом мейоза и, следовательно, для всех организмов (со схожим размером генома) темп мутирования на геном на поколение должен быть одинаковым. Если же, вклад мутаций, привнесённых в потомство от самца (сперматозоиды митотически делятся на протяжении всего репродуктивного периода жизни самцов), значителен, то мы ожидаем увидеть увеличение темпа мутирования на геном на поколение для долгоживущих видов. Поскольку число новых мутаций у самцов человека в 4 раза больше числа мутаций у самок, то это увеличение должно быть в основном обусловлено мутациями, происходящими во время митозов сперматозоидов. Пусть X — число новых мутаций происходящих в мейозе, поскольку и яйцеклетки и сперматозоиды подвергаются мейозу лишь один раз, это число должно быть одинаковым у самцов и самок: Xm=Xf. Пусть У30- число мутаций, происходящих при митозе сперматозоидов на протяжении среднего репродуктивного периода самцов (30 лет); тогда У30 + Xт = 4-Xf то есть У30 = 3-Х, другими словами, в среднем, 30 лет митоза мутагенны как три раунда мейоза, или, один раунд мейоза эквивалентен 10 годам митоза.

Становится понятным, почему повышенная мутагенность самцов не заметна на Drosophila - у них слишком малое число митозов, и их мутагенный эффект не заметен на фоне мейоза, отсутствующего у самцов. Влияние темпов мутирования при митозе и мейозе на скорость молекулярной эволюции обсуждается во вставке 2.

Вставка 2. Темп мутирования, темп фиксации мутаций, сила очищающего отбора и постоянство скоростей молекулярной эволюции.

Поскольку мейоз намного более мутагенен чем митоз, то ожидается, что темп мутирования на геном на поколение должен быть более менее одинаковым среди разных организмов (примерно с одинаковым размером генома), поскольку определяется одним раундом мейоза. Тогда, темп мутирования на год будет больше у организмов с коротким жизненным циклом, поскольку за год у них происходит большее число мейозов, чем у организмов с длинным жизненным циклом. Тогда становится непонятным как объяснить давно известное приблизительное постоянство темпов молекулярной эволюции генов среди широкого диапазона организмов (Кимура, 1983)? Абсолютно нейтральная теория молекулярной эволюции не в силах объяснить этот феномен. А вот почти нейтральная теория, может это сделать с привлечением фундаментальных экологических корреляций: повышенный темп мутирования на единицу времени у короткоживущих организмов, компенсируется очень сильным очищающим отбором, который не позволяет фиксироваться большей части мутаций. Повышенная сила очищающего отбора у короткоживущих организмов обусловлена их мелкими размерами и высокими значениями Ые их популяций. Крупные же долгоживущие организмы с низкой N6 имеют меньший темп мутирования на единицу времени и меньшую силу очищающего отбора. Таким образом, результат - приблизительное постоянство скоростей молекулярной эволюции гомологичных генов среди широкого диапазона организмов.

Важно отметить, что если вклад мутаций, произошедших при митозе значителен, и им нельзя пренебрегать, то организмы с долгим временем генерации будут иметь большой темп мутирования на геном на поколение, и тогда, чем ближе мутагенность митоза приближается к мутагенности мейоза, тем более одинаковый темп мутирования на год будет у разных организмов (КодЫ1еу е1 а1. 1999). Следствием этого является предположение, что у бесполых организмов, темп мутирования на геном на год должен быть одинаковым для широкого диапазона организмов.

3. Инактивация вредных, вертикально распространяющихся мобильных элементов в бесполых линиях. Хорошо известно, что транспозоны благодаря своей способности к внутригеномной репликации достаточно быстро могут распространяться (заражать новые геномы) в половой популяции (Шскеу, 1982). Однако их эволюционная динамика после распространения, то есть после того, как каждый индивидуум будет иметь один или более элементов, менее понятна. Экспериментальные данные на ИгозорИИа (СЪайезхуогЛ, Ьаг^1еу, 1989) говорят, что количество транспозонов не увеличивается до бесконечности, а останавливается на достаточно-низком уровне - примерно 10 элементов каждого семейства на геном. Установление мутационно-селективного равновесия с небольшим средним числом транспозонов на геном, может быть обусловлено двумя разными причинами:

1. Если количество транспозонов в геноме сильнее контролируется внешними факторами (заражение новыми транспозонами), нежели внутренними (размножение уже имеющихся транспозонов), то обоснование мутационно-селективного равновесия с низким количеством элементов в геноме (10 копий) требует существования эпистатического отбора, когда приспособленность организма быстрее, чем линейно уменьшается с увеличением числа транспозонов, или более высоких коэффициентов отбора мутаций, вызываемых транспозонами. Хотя в норме эпистатический вид отбора может быть очень редким (ЬепБ^ е1 а1., 1999) в данном случае он может вызываться тем, что помимо точечных (слабо вредных) мутаций, транспозоны при своём перемещении способны участвовать в эктопической рекомбинации, приводя к серьёзным хромосомным перестройкам, а вероятность эктопической рекомбинации увеличивается как квадрат числа транспозонов. Именно летальные эктопические рекомбинации могут сдерживать дальнейшее распространение транспозонов в геноме и, таким образом, играть важный регулирующий эффект. Возможно, что у Drosophila эволюционная динамика транспозонов сильно связана с эктопической рекомбинацией*. В свою очередь вред эктопической рекомбинации увеличивается при увеличении гетерозиготности, а частота эктопической рекомбинации увеличивается при повышенном темпе рекомбинации (Charlesworth, Charlesworth, 1995). Поэтому, пониженный уровень рекомбинации будет приводить к увеличению числа транспозонов. Возможно, что на Y хромосоме мы и наблюдаем этот процесс - хотя она находится среди часто-рекомбинирующих хромосом, большая её часть не рекомбинирует, поэтому, поступление транспозонов происходит, а их удаление ослаблено из-за отсутствия рекомбинации, и, как следствие регулирующего эффекта эктопической рекомбинации.

2) Когда количество транспозонов в геноме сильнее контролируется внутренними причинами (скорость размножения уже имеющихся транспозонов) а не внешними (заражение новыми транспозонами) адаптивным становится появление саморегулирующих механизмов скорости транспозиции мобильных элементов (Charlesworth, Langley, 1986). Саморегуляция появляется в результате действия следующего механизма: в отсутствии возможности заражать новые геномы, приспособленность транспозона становится равной приспособленности обычных менделирующих генов, поскольку падение приспособленности хозяина, обусловленное транспозицией мобильных элементов будет понижать приспособленность и самого транспозона. Поэтому, те транспозоны, которые перестали активно перемещаться, увеличивают (или по крайней мере на уменьшают) хозяйскую и свою приспособленность.

Поскольку заражение новыми транспозонами происходит, как правило, через половое размножение, то первый ограничивающий фактор должен играть большую роль в половых видах, а второй - в бесполых (Doolittle et al., 1983). Таким образом, у бесполых организмов количество транспозонов должно стремиться к нулю. Хотя для окончательного и убедительного ответа на вопрос о динамике численности транспозонов в половых и бесполых популяциях необходимо построить математическую модель, уже сейчас существует достаточное количество экспериментальных данных, говорящих о том, что с одной стороны, число транспозонов в бесполых линиях уменьшается, и чем древнее бесполая линия, тем меньше там активных транспозонов, а с другой стороны - число транспозонов в бесполых и факультативно-половых линиях сходно-низкое.

Экспериментальное подтверждение инактивации вредных мобильных элементов в бесполых геномах было получено на древних бесполых коловратках (Arkhipova, Meselson, 2000), и на всех симбиотических ДНК в эукариотическом геноме (Zeyl, Bell, 1996, Burt, Trivers, 1998). Поскольку при перемещении мобильные элементы индуцируют появление Если эпистатический отбор опосредованный эктопической рекомбинацией является универсальным объяснением для динамики численности транспозонов во всех популяциях, то у бесполых равновесное количество транспозонов должно быть больше чем у половых по аналогии с равновесными парамертами слабовредных мутаций (Kondrashov, 1982,1988; Charlesworth, 1990). точковых мутаций, отсутствие элементов или их неактивное состояние будет уменьшать темп мутирования примерно в 2 раза (по данным Нуждина (Nuzhdin, 1996) 50% новых точковых мутаций Drosophila обусловлены мобильными элементами).

Одно из важных допущений нашей гипотезы - снижение темпа мутирования у факультативно-бесполых линий. Оно кажется нам вполне логичным а, самое главное — подтверждается многими экспериментальными данными.

Редкое половое размножение (один раз в сезон, как, например, у циклически-партеногенетических Daphnia pulex) приводит, во-первых, к уменьшению вклада в потомство мутабильных генов самцов, и во-вторых, уменьшает среднее число мейозов относительно числа митозов, что приводит к уменьшению мутабильности от рекомбинации генов на поколение. Инактивация транспозонов у факультативно-половых организмов также ожидается во время частых и длительных раундов бесполого размножения. Проверка данного предположения была проведена экспериментально. Поддержание половых и бесполых линий Chlamidomonas reinhardtii в течение 800 поколений не привело к заметному различию в числе транспозонов к концу эксперимента (Zeyl et al., 1994). Также - между облигатно бесполыми и факультативно-половыми клонами Daphnia pulex обнаружено сходное количество транспозонов (Sullender, Crease, 2001). Таким образом, эти два эксперимента говорят о примерно одинаковом количестве транспозонов в бесполых и факультативно-половых популяциях, и, скорее всего, это обусловлено тем, что во время бесполых фаз жизненного цикла действуют некоторые регулирующие механизмы (Ribeiro-dos-Santos et al., 1997). Также, сходные ds (синонимичные замещения в ДНК) величины между коловратками Bdelloidea и Monogonontha ещё раз подтверждают предположение об одинаковом темпе мутирования бесполых (Bdelloidea) и циклически-партеногенетических (Monogonontha) видов (Mark Welch, Meselson, 2001).

Таким образом, все три, рассмотренные выше причины должны приводить к сильно сниженному темпу мутирования бесполых и факультативно половых линий (в 10-30 раз). К сожалению, абсолютный темп мутирования плохо известен даже для половых видов, поэтому далее придётся рассуждать, пользуясь приблизительными величинами.

2.2 ГИПОТЕЗА ПОДВИЖНОГО МУТАЦИОННО-СЕЛЕКТИВНОГО

РАВНОВЕСИЯ

Распределение слабо-вредных мутаций в половых и бесполых популяциях важно для понимания эволюции полового размножения. В предыдущей главе мы обсудили три фактора, приводящие к пониженному темпу мутирования бесполых и факультативно-половых популяций. Как это может влиять на эволюцию полового размножения, а, именно -на переход от полового размножения к бесполому?

Распределение слабо-вредных мутаций в популяции зависит от темпа мутирования (количества новых мутаций на геном на поколение U), формы размножения (половое или бесполое) и функции приспособленности. Поскольку первые два параметра подробно обсуждались, здесь мы остановимся лишь на функциях приспособленности.

Приспособленность организма определяется как функция вредных мутаций, содержащихся в нём: =ех р«-'"-'^ где i количество слабо-вредных мутаций, а - коэффициент отбора против новой слабо-вредной мутации, р - коэффициент эпистатического взаимодействия между мутациями.

Ниже различные функции приспособленностей описывают зависимость приспособленности организма от количества вредных мутаций (i), их вредности (а) и взаимодействия между ними (Р).

Рисунок 6. Слева - синергетические функции приспособленности: Р>0. Отсекающий отбор (truncation selection) - экстремальная форма синергетического эпистаза, при которой до определённого порога (К) приспособленность равна единице, а после этого порога - нулю. Это наиболее эффективная форма направленного отбора, которая в частности, используется при искусственном отборе. Справа -мультипликативные функции приспособленности: р=0; Согласно работам Ричарда Ленски (Elena, Lenski, 1997; Lenski et al., 1999) эта функция приспособленности превалирует в природе. синвргетмческм фумкции приспособленности betta=0.04, alpha =0.002 —betta =0.0004, alpha =0.002 —betta=0.004, alpha =0.002 —betla=0.00004, alpha =0.002 —truication selection (K=65) количество мутации в геноме мультипликативные функции приспособленности betta=0, apha=0.02 — betla =0, alpha=0.002 —betta =0, atpha=0.0002 количество мупций в геноме

Как видно из данного рисунка 6 при синергетической функции при всех прочих равных (одинаковое число мутаций I и коэффициент вредности мутации а) приспособленность организма падает намного быстрее, чем при мультипликативной функции. Это происходит в результате усиления вредного эффекта при комбинации нескольких вредных мутаций.

Зная все, перечисленные выше параметры (форма размножения, темп мутирования и функция приспособленности), можно определить значение мутационного груза (L) - средней доли потомства, погибаемой в результате элиминации новых мутаций (Crow, 1958) и, как следствие, среднюю приспособленность популяции W = 1 - L.

Впервые мутационный груз был посчитан Холдейном (Haldane, 1937) для случая мультипликативного отбора. Холдейн заявил, что уменьшение приспособленности популяции в результате элиминации вредных мутаций пропорционально темпу мутирования и не зависит от вредности (коэффициента отбора) мутации. При этом, тип размножения (амфимикис или апомиксис) значения не играет и, мутационный груз при мультипликативном отборе одинаков как в половой, так и в бесполой популяции. При условии мультипликативной функции приспособленности мутационный груз популяции равняется 1-е"и, и среднее число мутаций и их дисперсия равняются U/a независимо от формы размножения (Maynard Smith, 1978; Haigh, 1978).

При аллельном взаимодействии, особенно межлокусном (эпистаз - р>0) существует возможность элиминации сразу нескольких мутаций одной селективной смертью. Классическая работа Кимуры и Маруямы (Kimura, Maruyama, 1966), показала, что мутационный груз половой популяции при эпистатическом отборе ниже по сравнению с мутационным грузом бесполой популяции при эпистатическом отборе. Объясняется это тем, что в бесполой популяции эпистатический отбор к снижению мутационного груза не приводит, поскольку без рекомбинации, мутантные гены должны быть элиминированы в тех же комбинациях, как они и произошли.

Бесполые популяции имеют среднюю приспособленность W = е~и как и в случае мультипликативной функции приспособленности, однако среднее число мутаций в популяции будет меньше чем U/a. Точная формула распределения вредных мутаций в бесполой популяции выведена Кимурой и Маруямой (Kimura, Maruyama, 1966), а, аппроксимации для нормального распределения получил Чарльзуорс (Charlesworth, 1990). В половой популяции средняя приспособленность выше чем е"и, а среднее число мутаций меньше чем U/a (Kimura, Maruyama, 1966), точная формула распределения вредных мутаций выведена Кондрашовым (Kondrashov, 1984), аппроксимации получил Чарльзуорс (Charlesworth 1990, уравнение 3 и 11). Все формулы приведены в приложении 1.

Различие в средней приспособленности между половыми и бесполыми популяциями при синергетическом эпистазе является основой мутационной детерминистической гипотезы (Kondrashov 1982, 1988), которая утверждает, что при условии U>1 и отсекающем отборе, мутационный груз половой популяции будет в два раза меньше мутационного груза бесполой популяции. Хотя, отсекающий отбор является наиболее эффективной формой отбора, и к тому же легко анализируется аналитически, он вряд ли широко распространён в природе, поэтому Чарльзуорс (СЬаг1е5\УогЙ1, 1990) исследовал мутационную детерминистическую гипотезу при более слабых формах отбора (небольшие значения Р) и получил, что при темпе мутирования около 2 данная гипотеза работает при достаточно слабом синергетическом эпистазе (Р). Интересно, что согласно Чарльзуорсу преимущество полового размножения, постулируемое мутационной детерминистической гипотезой, в большей мере обусловлено сегрегацией хромосом, чем рекомбинацией генов самой по себе. Пользуясь аппроксимациями Чарльзуорса (приложение 1) и формулой средней приспособленности бесполой популяции (№=е~и) сравним параметры мутационно-селективного равновесия половой и бесполой популяции. Результаты представлены в таблице 2 и рисунке 7.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Попадьин, Константин Юрьевич, 2005 год

1. Маргелис Л., 1983. Роль симбиоза в эволюции клетки. Москва: Мир. 352 с.

2. Попадьин К. 2003. Эволюция полового размножения: роль вредных мутаций и мобильных элементов. Журнал Общей Биологии. 64:463-478.

3. Попадьин, Мамирова. 2004. История одинокой хромосомы // Природа. Т. 9. С. 11-16.

4. Скулачёв В.П., Биоэнергетика // Высшая школа. 1989.

5. Agrawal, A.F., 2001, Sexual selection and the maintenance of sexual reproduction // Nature. V. 411. P. 692-695.

6. Aitken R.J., Graves J.A.M. 2002. The future of sex //Nature. V. 415. P. 963.

7. Allen J.F., Raven J.A., 1996. Free-radical-induced mutation vs. redox regulation: costs and benefits of genes in organelles // J. Mol. Evol. V.42. P. 482-492.

8. Altschul S.F. et al., 1997. Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programme //Nucliec Acids Res. V.25. P. 3389-3402.

9. Andersson S.G.E. et al., 1998. The genome sequence of Rickettsia prowazekii and the origin of mitochondria // Nature. V. 396. P. 133-143.

10. Arkhipova I., Meselson M., 2000. Transposable elements in sexual and ancient asexual taxa // Proc. Natl. Acad. Sci. USA V. 98. P. 14473-14477.

11. Arkhipova I., Pyatkov K.I., Meselson M., Evgen'ev M.B. 2003. Retroelements containing introns in diverse invertebrate taxa. Nature genetics 33: 123-124.

12. Arkhipova I.R., Morrison H.G. 2001. Three retrotransposon families in the genome of Giardia lamblia: Two telomeric, one dead // PNAS. V. 98. P. 14497-14502.

13. Bachtrog D., Charlesworth В., 2002. Reduced adaptation of a nonrecombining neo-Y chromosome // Nature. V. 416. P. 323-326.

14. Barton N.H., Charlesworth В., 1998. Why sex and recombination? // Science. V. 281. P. 19861990.

15. Bell G., 1982. The masterpiece of nature. Berkeley: University of California Press.

16. Bell G., 1993. The sexual nature of the eukaryote genome // Journ. Heredity. V. 84. P. 351-359.

17. Bergstrom C.T., Pritchard J. 1998. Germline Bottlenecks and the evolutionary maintenance of mitochondrial genomes // Genetics. V. 149. P. 2135-2146.

18. Bierzychudek P., 1988. Patterns in plant parthenogenesis // The evolution of sex and its consequences Ed. Stearns P. Basel: Birkhauser. P. 197-217.

19. Birky C.W.Jr., 1996. Heterozygosity, heteromorphy, and phylogenetic trees in asexual eukaiyotes // Genetics. V. 144. P. 427-437.

20. Bulmer M.G., 1982. Cyclical parthenogenesis and the cost of sex // J. Theor. Biol. V. 94. P. 197207.

21. Burt A., Trivers R., 1998. Selfish DNA abd breeding system in flowering plants // Proc. R. Soc. Lond. В. V. 265. P. 141-146.

22. Butcher D., 1995. Muller's ratchet, epistasis and mutation effects // Genetics. V. 141. P. 431-437.

23. Butlin R., 2002. The costs and benefits of sex: new insights from old asexual lineages // Nature Rev. Gen. V. 3. P. 311-317.

24. Butlin R.K. 2000. Virgin rotifers //TREE. V. 15. P. 389-390.

25. Carroll L., Through the Looking-Glass // Wordsworth Editions Limited. 1995.

26. Chao Lin., 1997. Evolution of sex and the molecular clock in RNA viruses // Gene. V. 205. P. 301108.

27. Charlesworth В., 1980. The cost of meiosis with alternation of sexual and asexual generations // J. Theor. Biol. V. 87. P. 517-528.

28. Charlesworth В., 1990. Mutation-selection balance and the evolutionary advantage of sex and recombination // Genet. Res., Camb. V. 55. P. 199-221.

29. Charlesworth В., 2003. The organization and evolution of the human Y chromosome // Genome Biology. V.4. P. 226.

30. Charlesworth B., Charlesworth D., 2000. The degeneration of Y chromosomes // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. V. 355. P. 1563-1572.

31. Charlesworth B., Langley C.H., 1986. The evolution of self-regulated transposition of transposable elements // Genetics. V. 112. P. 359-383.

32. Charlesworth B., Langley C.H., 1989. The population genetics of Drosophila transposable elements //Annu. Rev. Genet. V. 23. P. 251-287.

33. Charlesworth D., Charlesworth B., 1995. Transposable elements in inbreeding and outbreeding populations // Genetics. V. 140. P. 415-417.

34. Cortopassi G.F., 2002. A neutral theory predicts multigenic aging and increased concentrations of deleterious mutations on the mitochondrial and Y chromosomes // Free Radical Biology and Medicine. V. 33. N. 5. P. 605-610

35. Crease T.J., Stanton D.J., Hebert P.D.N., 1989. Polyphyletic origins of asexuality in Daphnia pulex. II. Mitochondrial-DNA variation // Evolution. V. 43. P. 1016-1026.

36. Crow J.F., 1958. Some possibilities for measuring selection intensities in man // Human. Biol. V. 30. P. 1-13.

37. Cummins J. 2001 // Reprod. Fertil. Dev. V. 13. P. 533-542.

38. Dacks J., Roger A.J., 1999. The first sexual lineages and the relevance of facultative sex // J. Mol. Evol. V. 48. P. 779-783.

39. Damuth J., 1987. Interspesific allometry of population density in mammals and other animals: the independence of body mass and population energy-use // Biological Journal of the Linnean society. V. 31. P. 193-246.

40. Dawkins R., 1986. The Blind Watchmaker // London. Longman. 419 p.

41. Delmotte F.s Leterme N., Bonhomme J., Rispe C., Simon J.-C., 2001. Multiple routes to asexuality in an aphid species // Proc. R. Soc. Lond. B. V. 268, P. 2291-2299.

42. Devoret R. 1988. Molecular aspects of genetic recombination. The evolution of sex / Ed. Michod R.E., Levin B.R. Sunderland (Massachusetts): Sinauer. P. 24-44.

43. Doolittle W. F., 1998. You are what you eat: a gene transfer ratchet could account for bacterial genes in eukaryotic nuclear genomes // NIG V. 14. P. 307-311.

44. Doolittle W.F., Boucher Y., Nesbo C.L., Douady C.J., Andersson J.O., Roger A. J., 2003. How big is the iceberg of which organellar genes in nuclear genomes are but the tip? //Phil. Trans. R. Soc. Lond. B V. 358. P. 39-58.

45. Doolittle W.F., Kirkwood T.B.L., Dempster M.A.H., 1984. Selfish DNA with self-restraint // Nature, V. 307. P. 501-502.

46. Doolittle W.F., Sapienza C., 1980. Selfish genes, the phenotype paradigm and genome evolution // Nature. V. 284. P. 601-603.

47. Elena S.F., Lenski R.E., 1997. Test of synergistic interactions among deleterious mutations in bacteria//Nature. V. 390. P. 395-398.

48. Eyre-Walker A., Awadalla P. 2001. Does human mtDNA recombine? // J. Mol. Evol. V. 53. P. 430435.

49. Eyre-Walker A., Keightley P.D., Smith N.G.C., Gaffney D., 2002. Quantifying the Slightly Deleterious Mutation Model of Molecular Evolution // Mol. Biol. Evol. V. 19. P. 2142-2149.

50. Fares M.A., Ruiz-Gonzalez M.X., Moya A., Elena S., Barrio E. 2002. GroEL buffers against deleterious mutations // Nature. V. 417. P. 398.

51. Fay J.C., Wyckoff G.J., Wu C-I., 2001. Positive and Negative Selection on the Human Genome // Genetics. V. 158. P. 1227-1234.

52. Felisa A. Smith, S. Kathleen Lyons, S. K. Morgan Ernest, Kate E. Jones, Dawn M. Kauffman, Tmar Dayan, Pablo A. Marquet, James H. Brown, and John P. Haskell. 2003. Body mass of late Quaternary mammals II Ecology. V. 84. P. 3403.

53. Felsenstein J., 1974. The evolutionary advantage of recombination // Genetics. V. 78. P. 737-756.

54. Filatov D., Moneger F., Negrutiu I., Charlesworth D. // Nature. 2000. V. 404. P. 388-390.

55. Filatov D.A., 2004. A gradient of silent substitution rate in the human pseudoautosomal region // Mol. Biol. Evol. V.2. P. 410-417.

56. Filatov D.A., Gerrard D.T., 2003. High mutation rate in human and ape pseudoautosomal genes // Gene. V.317. P. 67-77.

57. Fisher R.A., 1930, The genetical theory of natural selection. Oxford: Oxford University Press.

58. Fraser H.B., Wall D.P., Hirsh A.E., 2003. A simple dependence between protein evolution rate and the number of protein-protein interactions // BMC Evolutionary Biology. V. 3. P. 11

59. Gabriel W., Lynch M., Burger R., 1993. Muller's ratchet and mutational meltdowns // Evolution. V.47.P. 1744-1757.

60. Gandolfi A., Bonilauri P., Rossi V., Menozzi P. 2001a. Intraindividual and intraspecies variability of ITS 1 sequences in the ancient asexual Darwinula stevensoni (Crustacea: Ostracoda) // Heredity. V. 87. P. 449-455.

61. Gerrard, D.T., Filatov D.A., 2005. Positive and negative selection on mammalian Y chromosomes // Mol. Biol. Evol. V. 22. P. 1-10.

62. Gordo I., Charlesworth B., 2000a. The degeneration of asexual haploid populations and the speed of Muller's ratchet// Genetics. V. 154. P. 1379-1387.

63. Gordo I., Charlesworth B., 2000b. On the speed of Muller's ratchet// Genetics. V. 156. P. 2137—2140.

64. Graves J.A.M. // TIG. 2002. V.18. P. 259-264.

65. Gray M.W., Burger G., Lang B.F. 1999. Mitochondrial evolution // Science. V. 283. P. 1476-1481.

66. Guttman D.S., Dykhuizen D.E. 1994. Clonal divergence in Escherichia coli as a result of recombination, not mutation // Science. V. 266. P. 1380-1383.

67. Haigh J., 1978. The accumulation of deleterious genes in a population // Theor. Pop. Bio. V. 14. P. 251-267.

68. Haldane J.B.S., 1937. The effect of variation on fitness // Am. Nat. V. 71. P. 337-349.

69. Hamilton W.D., 1980. Sex versus non-sex versus parasite // Oikos. V. 35. P. 282-290.

70. Hamilton, W. D. R., Axelrod., Tanese., 1990. Sexual reproduction as an adaptation to resist parasites // Proc. Natl. Acad. Sci. USA V. 87. P. 3566-3573.

71. Hebert P. D. N., 1981. Obligate asexuality in Daphnia // Am. Nat. V. 117. P. 784 789.

72. Hebert P.D.N., 1988. Genotypic characteristics of cyclic parthenogens and their obligately asexual derivatives // The evolution of sex and its consequences / Ed. Stearns P. Basel: Birkhauser. P. 175-196.

73. Hebert P.D.N., Beaton M.J., Schwarts S.S., Stanton D.J., 1989. Polyphyletic origins of asexuality in Daphnia pulex. I. Breeding-system variation and levels of clonal diversity // Evolution. V. 43. P. 1004-1015.

74. Heijne G., 1986. Why mitochondria need a genome? // FEBS V. 198. P. 1-4.

75. Herrmann J.M. 2003. Converting bacteria to organelles: evolution of mitochondrial protein sorting // Trends in Microbiology V. 11. P. 74-79.

76. Hickey D.A. 2000. The evolution of sex and recombination // In: Evolutionary genetics: from molecules to morphology, (ed. Singh R.S., Krimbas C.B.).Cambridge University Press, p.317-334.

77. Hickey D.A., 1982. Selfish DNA: a sexually transmitted nuclear parasite // Genetics. V. 101. P. 519-531.

78. Hickey D.A., 1993. Molecular symbionts and the evolution of sex // J. Heredity. V. 84. P. 410-414.

79. Hickey D.A., Rose M.R., 1988. The role of gene transfer in the evolution of eukaryotic sex // The Evolution of Sex / Eds Michod R.E., Levin B.R. Sunderland, Massachusetts: Sinauer. P. 161175.

80. Hirsh A.E., Fraser H.B., 2001. Protein dispensability and rate of evolution // Nature. V. 411. P. 1046-1049.

81. Hoekstra R.F., 1988. The evolution of sexes // The evolution of sex and its consequences Ed. Stearns P. Basel: Birkhauser. P. 59-91.

82. Howard R.S., Lively C.M., 1994. Parasitism, mutation accumulation and the maintenance of sex // Nature. V. 367. P. 554-557.

83. Howell N. et al., 2003. The pedigree rate of sequence divergence in the human mitochondrial genome: there is a difference between phylogenetic and pedigree rates // Am. J. Human. Genet. V. 72. P. 659-670.

84. Hurst L.D., 1991. Sex, slime, and selfish genes //Nature. V. 354. P. 23-24.

85. Keightley P.D., Eyre-Walker A., 1999. Terumi Mukai and the riddle of deleterious mutation rates. Genetics 153: 515-523.

86. Kern A.D., Kondrashov F.A., 2004. Mechanisms and convergence of compensatory evolution in mammalian mitochondrial tRNAs // Nature genetics. V. 36. P. 1207-1212.

87. Kimura M., Maruyama T., 1966. The mutation load with epistatic gene interactions in fitness // Genetics. V. 54. P. 1337-1351.

88. Kondrashov A.S., 1982. Selection against harmful mutations in large sexual and asexual populations II Genet. Res.Camb. V. 40. P. 325-332.

89. Kondrashov A.S., 1984. Deleterious mutations as an evolutionary factor. 1. The advantage of recombination // Genet. Res. Camb. V. 44. P. 199-217.

90. Kondrashov A.S., 1988. Deleterious mutations and the evolution of sexual reproduction // Nature. 336: 435-440.

91. Kondrashov A.S., 1994. Muller's ratchet under epistatic selection // Genetics. V. 136. P. 14691473.

92. Kondrashov A.S., 1994. Sex and deleterious mutations II Nature. V. 369. P. 99-100.

93. Kondrashov A.S., 2001. Sex and U // Trends in Genetics. V. 17. P. 75.

94. Kondrashov, A.S., 1988, Deleterious mutations and the evolution of sexual reproduction // Nature. V. 336. P. 435-440.

95. Kondrashov. A.S., 1993. Classification of hypotheses on the advantage of amphimixis // Journ. Heredity. V. 84. P. 372-387.

96. Krakauer D.C., Mira A. 1999. Mitochondria and germ-cell death // Nature. V. 400. P. 125-126.

97. Krakauer D.C., Mira A. 2000. // Nature. V. 403. P. 500-501.

98. W.-H. 1997. Molecular evolution // Sinauer Assocites, Sunderland MA.

99. Evolution. V. 14. P. 914-925. Lynch M., Blanchard J.L. 1998. Deleterious mutation accumulation in organelle genomes //

100. Mark Welch J., Meselson M. 1998. Karyotypes of bdeloid rotifers from three families //

101. Hydrobiologia. V. 387/388. P. 403-407. Martens K., Rosetti G., Home D.J. 2003. How ancient are ancient asexuals? // Proc. R. Soc. Lond. B. V. 270. P. 723-729.

102. Maynard Smith J., 1964. Group selection and kin selection // Nature. V. 201. P. 1145-1147. Maynard Smith J., 1971. The origin and maintenance of sex // Group Selection / Ed. Williams G.C.

103. Maynard Smith., 1993. The role of sex in Bacterial Evolution // Journal of Heredity. V. 84. P. 326327.

104. Muller H.J., 1932. Further studies on the nature and causes of gene mutations. Proc. sixth Int.

105. Ohta T., 1988. The mutational load of a multigene family with uniform members // Genet. Res.,

106. Camb. V. 53. P. 141-145. Pal C., Papp B., Hurst L.D., 2000. Highly Expressed Genes in Yeast Evolve Slowly // Genetics. V. 158. P. 927-931.

107. Parker G.A., Baker R.R., Smith. V.G.E., 1972. The origin and evolution of gamete dimorphism and the male-female phenomenon // J. Theor. Biol. V. 36. P. 529-533.

108. Perez et al. 2000. Mitochondria and the death of oocytes // Nature. V. 403. P. 500-501.

109. Piganeau G., Eyre-Walker A., 2004. A reanalysis of the indirect evidence for recombination in human mitochondrial DNA // Heredity. V. 92. P. 282-288.

110. Polishchuk L.V., 2002. Conservation priorities for Russian mammals II Science. V. 297. P. 1123.

111. Popadin K., 2002. Body size of Holopedium gibberum under the influence offish predation in small subarctic lakes // Verh. Intemat. Verein. Limnol., V. 28, № 1, P. 204-209.

112. Popadin K., 2003. Ancient asexuals and the maintenance of sex. P. 24 // PARTNER Workshop -1. Ancient asexuals and time-scales. Wageningen, The Netherlands.

113. Race H.L., Herrmann R.G., Martin W., 1999. Why have organelles retained genomes? // TIG V. 15. P. 364-370.

114. Redfield 1994. Male mutation rates and the cost of sex for females // Nature. V. 369. P. 145-147.

115. Redfield R.J., 1993. Genes for breakfast: the have-your-cake-and-eat-it-too of bacterial transformation // J. Hered. V. 84. P. 400-404.

116. Ribeiro-dos-Santos G., Schenberg A.C.G., Gardner D.C.J., Oliver S.G., 1997. Enhancement of Ty transposition at the ADH4 and ADH2 loci in meiotic yeast cells // Mol. Gen. Genet. V. 254. P. 555-561.

117. Ricci C., Melone G., Santo N., Caprioli M., 2003. Morphological response of a bdelloid to desiccation // J. Morphol. V. 357. P. 246-253.

118. Rivera M.C., Lake J.A., 2004. The ring of life provides evidence for a genome fusion origin of eukaryotes // Nature. V. 431. P. 152-155.

119. Rozen et al., 2003. Abundant gene conversion between arms of palindromes in human and ape Y chromosomes // Nature. 2003. V. 423. P. 873-876.

120. Ruiz-Pesini Y., Mishmar D., Brandon M., Procaccio V., Wallace D.C., 2004. Effects of purifying and adaptive selection on regional variation in human mtDNA // Science V. 303. P, 223-226.

121. Saccone C., Gissi C., Lanave C., Larizza A., Pesole G., Reyes A., 2000. Evolution of the mitochondrial genetic system: an overview // Gene. V. 261. P. 153-159.

122. Schon I., Butlin R.G., Griffiths H.I., Martens K. 1998. Slow molecular evolution in an ancient asexual ostracod. Proc. R. Soc. Lond. B. 265: 235-242.

123. Schon I., Martens K., 2003. No slave to sex // Proc. R. Soc. Lond. B. V. 270. P. 827-833.

124. Schon I., Martens K., Van Doninck K., Butlin R.G. 2003. Evolution in the slow lane: molecular rates of evolution in sexual and asexual ostracods (Crustacea: Ostracoda) II Biological Journal of the Linnean Society. V.79. P. 93-100.

125. Shibata T. 2001. Functions of homologous DNA recombination // RIKEN review V. 41. P. 21-23.

126. Shon I., Martens K. 2002. Are ancient asexuals less burdened? Selfish DNA, transposons and reproductive mode. Journal of Natural History 36: 379-390.

127. Siller S., 2001. Sexual selection and the maintenance of sex // Nature. V. 411. P. 689-692.

128. Simon J-S., Rispe C., Sunnucks P., 2002. Ecology and evolution of sex in aphids // Trends in Ecol. Evol. V. 17.P. 34-39.

129. Skaletsky et al., 2003. The male-specific region of the human Y chromosome is a mosaic of discrete sequence classes // Nature. 2003. V. 423. P. 825-837.

130. Stearns P., 1988. The evolution of sex and its consequences. Basel: Birkhauser.

131. Steinemann M., Steinemann S., 2000. // Genetica. V. 109. P. 105-111.

132. Sullender B.W., Crease T.J., 2001. The behavior of Daphnia pulex transposable elements in cyclically and obligately parthenogenetic populations // J. Mol. Evol. V. 53. P. 63-69.

133. Tatusov R.L., Koonin E.V., Lipman D.J.A. 1997. A genomic perspective on protein families II Science. V. 278. P. 631-637.

134. Taylor D.J., Crease T.J., Brown W.M., 1999. Phylogenetic evidence for a single long-lived clade of crustacean cyclic parthenogens and its implications for the evolution of sex // Proc. R. Soc.Lond. B., V. 266, P. 791-797.

135. Taylor D.R., Zeyl C., Cooke E., 2002. Conflicting levels of selection in the accumulation of mitochondrial defects in Saccharomyces cerevisiae IIPNAS. V. 99. P. 3690-3694.

136. Thompson J.D., Higgins D.G., Gibson T.J. 1994. CLUSTEL W: improving the sensitivity of progressive multiple sequence alignment through sequence weighting, position-specific gap penalties and weight matrix choice // Nucleic Acid Res. V. 22. P. 4673-4680.

137. Thorsness P.E., Fox T.D., 1990. Escape of DNA from mitochondria to the nucleus in Saccharomyces cerevisiae // Nature. V. 346. P. 376-379.

138. Van Doninck K., Schoen I., De Bruyn L., Martens K. 2002. A general purpose genotype in an ancient asexual // Oecologia. V. 132. P. 205-212.

139. Van Doninck K., Schoen I., Maes F., De Bruyn L., Martens K. 2003a. Ecological strategies in the ancient asexual animal group Darwinulidae (Crustacea: Ostracoda) // Freshwater Biology. V. 48. P,1285-1294.

140. Van Doninck K., Schoen I., Martens K., Goddeeris B. 2003b. The life-cycle of the asexual ostracod Darwinula stevensoni (Brady & Robertson, 1870)(Crustacea, Ostracoda) in a temporate pond // Hydrobiologia. V.500. P.331-340.

141. Van Valen L., 1973. A new evolutionary law // Evol. Theory. V. 1. P. 1-30.

142. Wallace R.L., Ricci C. 2002. Rotifera // In: Freshwater meiofauna: biology and ecology (ed. Rundle S.D., Robertson A.L., Schmid-Araya J.M.). p. 15-44.

143. Weismann A., 1887. On the signification of the polar globules // Nature. V. 27. P. 607-609.

144. Wernegreen J.J., 2002. Genome evolution in bacterial endosymbionts of insects // Nature review genetics. V. 3. P. 850-861.

145. White M.J.D. 1973. Animal Cytology and Evolution, 3rd edn // Cambridge University Press, London: 961 pp.

146. Willard H.F. // Nature. 2003. V. 423. P. 810-813.

147. Williams G.C., 1975. Sex and evolution. Princeton (New Jersey): Princeton University Press. 210 P

148. Yang Z., Bielawski J.P. 2000. Statistical methods for detecting molecular adaptation // TREE V. 15. P. 496-502.

149. Yang Z., Swanson W.J., Vacquier V.D., 2000. Maximum-Likelihood Analysis of Molecular Aaptation in Abalone Sperm Lysin Reveals Variable Selective Pressures Among Lineages and Sites//Mol. Biol. Evol. V. 17. P. 1446-1455.

150. Yang Z.H. 1997. PAML: a program package for phylogenetic analysis by maximum likelihood // Comput. Appl. Biosci. V. 13. P. 555-556.

151. Zaffagnini F., Sabeli B., 1972. Karyologic observations on the maturation of the summer andwinter eggs of Daphnia pulex and Daphnia middendorffiana // Chromosoma. V. 36. P. 193-203.

152. Zahavi A., 1975. Mate selection: a selection for a handicap // J. Theor. Biol. V. 53. P. 205-214.

153. Zeyl C., Bell G., 1996. Symbiotic DNA in eukaryotic genomes // Trends in Ecol. Evol. V. 11. P. 10-15.

154. Zeyl C., Bell G., 1997. The advantage of sex in evolving yeast populations //Nature. V. 388. P. 465-458.

155. Zeyl C., Bell G., Silva J., 1994. Transposon abundance in sexual and asexual populations of Clamydomonas reinhardtii // Evolution. V. 48. P. 1406-1409.

156. Zhang, D.-X., 2000. Rates of conservative and radical nonsynonymous nucleotide substitutions in mammalian nuclear genes // J. Mol. Evol. V. 50. P. 56-68.