Функциональное значение базовых свойств структуры генома эукариот тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.03, доктор биологических наук Виноградов, Александр Евгеньевич

• Виноградов, Александр Евгеньевич
• доктор биологических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор биологических наук Виноградов, Александр Евгеньевич

Введение.

Литературный обзор

Размер генома, конденсация хроматина и размер внутригеномных элементов.

Доля ГЦ-пар. физические свойства ДНК и конденсация хроматина: внутригеномная вариабельность.

Прогрессивная эволюция.

Факторы эволюции кодирующей ДНК.

Материалы и методы

1. Размер генома, доля ГЦ-пар и конденсация хроматина

Проточная цитометрия: размер генома и доля ГЦ-пар.

Проточная цитометрия: конденсация хроматина.

Интенсивность метаболизма

Другие данные.

2. Размер внутригеномных элементов.

3. Доля ГЦ-пар, физические свойства ДНК и конденсация хроматина: внутригеномная вариабельность.

4. Эволюция транскриптома и протеома.

Результаты и обсуждение

1. Размер генома, доля ГЦ-пар и конденсация хроматина

Размер генома и интенсивность метаболизма.

Размер генома и доля ГЦ-пар.

Другие работы по размеру генома.:.::.

Мембрано-зависимая конденсация хроматина.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Функциональное значение базовых свойств структуры генома эукариот»

Формулировка проблемы. За короткое время цитология прошла путь от морфологических и физиологических исследований, проводимых исключительно на клеточном уровне, до клеточной биологии, имеющей дело с данными молекулярного уровня. При этом в какой-то степени потерялась целостность клетки, которая разбилась на множество частных молекулярных явлений, детально изучаемых по отдельности. В настоящее время, после появления различных "омик" (геномики, транскриптомики, протеомики, интерактомики и др.), начался обратный, интеграционный процесс. Возникла молекулярная биология систем, призванная связать "омиксные" данные вместе и представить, как функционирует клетка в целом. В последнее время возрастает также роль эволюционной биологии, которая даже становится базовой наукой для медицины (Nesse et al. 2010).

Одно из главных противоречий, которое возникает при сопоставлении молекулярного уровня с более высокими уровнями биологической организации, это явно адаптивный характер эволюции организмов и доминирование нейтралистских представлений в области молекулярной эволюции. (Возможно, это произошло в результате инерции тренда, возникшего при появлении нейтралистской точки зрения, а также потому, что легче увидеть шум, чем сигнал.)

Это противоречие является важным прежде всего потому, что естественный отбор предполагает функциональность, в то время как нейтральная эволюция в основном производит шум, затрудняющий выделение функциональных компонент. Нейтралистские интерпретаторы приходят к выводу, что даже увеличение сложности организмов и геномов (т.н. прогрессивная эволюция) происходит в результате ослабления естественного отбора и является просто следствием мутационного давления (напр., Lynch, Conery 2003; Koonin 2004). Другими словами, информация, необходимая для повышения уровня биологической организации, должна создаваться из шума без участия естественного отбора.1

В нашей работе сделан поиск функциональных объяснений базовых (системных, "омиксных") свойств структуры генома. Это позволит связать данные молекулярного уровня с результатами, полученными при исследовании более высоких уровней биологической организации. Актуальным является и то, что в нашей работе значительное внимание уделяется некодирующей ДНК, которая составляет большую часть генома эукариот и функция которой во многом остается загадочной.

Цель и задачи исследования. Цель работы: на основе полученных новых данных найти возможные функциональные объяснения базовым (системным) свойствам структуры генома эукариот (с акцентом на геном человека), которые интерпретировались в литературе как результат нейтральной эволюции. Задачи:

1) Изучить вариабельность размера генома и доли ГЦ-пар у наземных позвоночных, найти возможную связь с фенотипическими параметрами, которая предполагала бы адаптивное объяснение этой вариабельности.

2) Изучить особенности внутригеномной вариабельности количества некодирующей ДНК и доли ГЦ-пар, выяснить возможное функциональное значение этих параметров (на примере генома человека).

3) Выяснить связь размера генов (как интронной, так и кодирующей их части) и количества функциональных доменов в кодируемых ими белках с особенностями экспрессии генов (на примере генома человека).

4) Найти возможные признаки прогрессивной эволюции при сравнении транскриптомов человека и мыши. • ! ■

5) Выяснить роль различных факторов, влияющих на скорость эволюции белок- 1 кодирующей ДНК млекопитающих.

Литературный обзор

Размер генома, конденсация хроматина и размер внутригеномных элементов

Размер генома возрастает на основных этапах прогрессивной эволюции (увеличения сложности организмов): у бактерий количество ДНК" на клетку составляет 0.001-0.008 пкг, у дрожжей - 0.02-0.04 пкг, у беспозвоночных животных - 0.1-12 пкг, у позвоночных - 0.8-280 пкг (Rees, Jones 1972; Olmo 1983; Shuter et al. 1983). В другой эволюционной ветви, у высших растений содержание ДНК в клетке находится в пределах 0.4-180 пкг (Bennett, Leicht 1995). У вирусов размер генома снижается до 0.000001-0.00003 пкг ДНК (Rees, Jones 1972).

Однако после достижения определенного уровня организации (позвоночные, насекомые, сосудистые растения) размер генома перестает коррелировать со сложностью организма. Так, например, среди позвоночных наибольший размер генома наблюдается у хвостатых амфибий и двоякодышащих рыб (Olmo 1983; Gregory et al. 2007). Даже у бесхвостых амфибий геном в среднем больше, чем у амниот, а средний геном рептилий больше генома птиц (Olmo 1983). У дрозофилы, представителя одного из наиболее современных отрядов насекомых (двукрылых), размер генома намного меньше, чем у сверчка, принадлежащего к древнему отряду прямокрылых, и даже меньше, чем у некоторых кишечнополостных и полихет, т.е. представителей более примитивных типов животных (Rees, Jones 1972). У покрытосеменных растений размер генома в среднем не больше, чем у голосеменных (Bennett, Leicht 1995; Wakamiya et al. 1996; Gregory et al. 2007). Кроме того, размеры генома могут значительно различаться даже у филогенетически близких видов (Olmo 1983; Bennett, Leicht 1995; Wakamiya et al. 1996; Gregory et al. 2007). Эти факты позволяют говорить о парадоксе размера генома.

Вариабельность размера генома эукариот определяется в основном количеством некодирующей ДНК. Так например, геном дрожжей примерно на четыре порядка меньше генома некоторых растений, амфибий и двоякодышащих рыб, однако только меньше одного порядка этого различия может быть объяснено разницей в числе генов. Роль некодирующей ДНК, которая составляет более 98% генома человека (IHGSC 2001;Venter et al. 2001), остается неясной. Таким образом, даже в эпоху проектов тотального секвенирования геномов мы не знаем биологического смысла большей части получаемой при этом информации, и парадокс размера генома пока не решен.

Нейтралистское объяснение предполагает, что мутационное давление приводит к накоплению избыточной (redundant) некодирующей ДНК в геномах эукариот, просто "терпимому" (permissive) естественным отбором. Около тридцати лет назад была предложена гипотеза "эгоистичной ДНК", постулирующая, что накопление избыточной некодирующей ДНК в геноме эукариот может быть результатом активности "эгоистичных" внутри геномных мобильных элементов, ведущих себя как элементарные дарвиновские единицы (единицы отбора), просто "терпимые" отбором на уровне организмов (Doolittle, Sapienza 1980; Orgel, Crick 1980).

Другой возможный механизм, увеличивающий размер генома (и не постулирующий при этом функциональности некодирующей ДНК), может быть связан с тем фактом, что делеции требуют двух разрывов геномной последовательности (в отличие от инсерций, требующих только один). Поэтому делеции скорее могут затронуть функциональные участки генома, чем инсерции. В результате, стабилизирующий (purifying) отбор должен работать против делеций, и поэтому инсерции могут накапливаться в геноме быстрее, чем делеции (Petrov 2002).

Тем не менее, анализ крупномасштабных геномных выравниваний (alignment) между человеком и мышью показал, что большинство несовпадающих участков, которые не могут быть идентифицированы как инсерции мобильных элементов, представляют собой делеции в одном из геномов (Waterston et al. 2002; Hardison et al. 2003). Показано также, что по суммарному размеру такие делеции в мышином геноме соответствуют примерно 50% генома (Hardison et al. 2003).)Ч' Известно, что значительная часть генома человека (15-20%) создана инсерциями мобильных элементов, специфичными для приматов (Liu et al. 2003), и что аналогичные инсерции (т.е. специфичные для грызунов) были даже еще более активны в геноме мыши (Waterston et al. 2002). Разница в размере геномов мыши и человека только около 16% (Waterston et al. 2002). Поэтому можно предположить, что в геноме мыши после разделения с филогенетической линией, ведущей к приматам, суммарных делеций было значительно больше, чем на упомянутые выше 50% генома. Таким образом, эволюционная динамика делеций весьма значительна и может компенсировать процесс инсерций.

Динамика инсерций и делеций была детально изучена на примере межгенного промежутка генома дрозофилы (Singh, Petrov 2004). Была обнаружена большая эволюционная "текучесть" последовательности ДНК в этом межгенном промежутке. Длина промежутка сначала удлинилась за счет нескольких больших инсерций, но затем уменьшилась за счет множества мелких делеций, которые превалировали над мелкими инсерциями (Singh, Petrov 2004). Авторы интерпретировали эту динамику как результат нейтральной эволюции последовательности некодирующей ДНК.

Однако, следует заметить, что у близких видов в первую очередь изменяются паттерны экспрессии генов, а не кодируемые генами белки (Enard et al. 2002; Ranz et al. 2003). У видов рода дрозофила изменения в экспрессии особенно сильны в генах, связанных с полом (Ranz et al. 2003). Один из генов, прилегающих к упомянутому выше межгенному промежутку, как раз связан с полом. Ген с другой стороны это промежутка кодируется на противоположной цепи ДНК, и для обоих генов этот промежуток расположен перед началом транскрипции (где обычно и располагаются регуляторные элементы) (Singh, Petrov 2004). Поэтому можно предположить, что структурные изменения последовательности ДНК в этом межгенном промежутке были связаны с изменениями экспрессии прилежащих к нему генов и поэтому не были нейтральными.

Возможно, что существуют механизмы делеций, которые затрагивают преимущественно некодирующую ДНК. Такие делеции должны быть скорее "терпимы" отбором, чем те, которые затрагивают кодирующую часть генома. Неравная рекомбинация между двумя мобильными элементами, находящимися в одном и том же межгенном промежутке или интроне, может быть одним из таких механизмов, Существует много примеров неравной рекомбинации, направляемой мобильными элементами (Babcock et al. 2003; Bouneau et al. 2003; Read et al. 2004; Saitta et al. 2004; Salem et al. 2003). Было показано, что в культивируемых клетках млекопитающих ретротранспозоны LINE1 могут вызвать делеции намного большего размера (>70 тыс. п.н.), чем размеры самих LINE1 (~6 тыс. п.н.) (Gilbert et al. 2002). Авторы сделали вывод, что LINE1 могут участвовать в уменьшении размера генома (Gilbert et al. 2002). Интересно, что LINE1 обычно не встречаются в участках генома с высокой концентрацией генов (Medstrand et al. 2002). Поэтому можно сделать вывод, что делеции, направляемые ретротранспозонами LINE1, происходят преимущественно в некодирующей ДНК.

Но может ли избыточная некодирующая ДНК быть полезной для организма, т.е. выполнять какую-нибудь функцию? Известно, что размер генома связан с рядом фенотипических признаков. В первую очередь это увеличение размера ядра и уменьшение скорости роста и развития (Van't Ноf, Sparrow 1963; Bennett 1971, 1998; Cavalier-Smith 1978, 1985; Olmo 1983). Однако замедление роста и развития вряд ли можно считать адаптивным (в отличие от ускорения). Метафорически можно заметить, что не бывает соревнований под девизом "кто медленней пробежит дистанцию" (Vinogradov 2003а). Но замедление может быть связано с каким-то другим признаком, который является адаптивным. Поискам этого признака и была посвящена первая часть нашей работы. В литературе имелись данные лишь о некоторых частных явлениях у растений, которые можно рассматривать как адаптивные — повышенной устойчивости к засухе и холоду у видов с большим размером генома (Macgillivray, Grime 1995; Wakamiya et al. 1996).

С исторической точки зрения можно упомянуть также гипотезу "скелетной ДНК", которая предполагала, что избыточная некодирующая ДНК служит ядерным каркасом (Cavalier-Smith 1978, 1985). Однако впоследствии было установлено, что эту функцию выполняют специализированные белки и РНК-белковые комплексы (обзоры: Parnaik 2008; Albrethsen et al. 2009; Zhong et al. 2010).

Появление в геноме организмов избыточной некодирующей ДНК совпадает с возникновением эукариот. Основной проблемой генетического аппарата эукариот является управление работой большого количества генов. В первую очередь, это выключение генов, экспрессия которых не нужна в данной клетке. Это достигается путем конденсации ДНК с помощью белков с образованием хроматина. Можно предположить, что появление больших количеств некодирующей ДНК было связано с необходимостью репрессии генов. Известно, например, что длина линкерной ДНК, соединяющей нуклеосомы, возрастает при более плотной упаковке хроматина в клетках со сниженным уровнем синтеза РНК (Villeponteau et al. 1992; Blank, Becker 1996). Гетерохроматин, в состав которого входит в основном некодирующая ДНК, может оказывать репрессирующее влияние и на соседние участки эухроматина, содержащие гены (Holmquist 1989; Zuckerkandl, Hennig 1995).

С помощью биоинформатического анализа на довольно ограниченном наборе данных (около 200 генов) было показано, что потенциал формирования нуклеосом промоторной области выше в тканеспецифичных генах по сравнению с общеклеточными (Levitsky et al. 2001а). В контексте нашей работы следует отметить, что потенциал формирования нуклеосом основной массы ДНК (интронов, экзонов, межгенных промежутков) внутри и вокруг тканеспецифичных и общеклеточных генов при этом не сравнивался. Кроме того, ранее было показано, что потенциал формирования нуклеосом выше в интронах по сравнению с экзонами (Levitsky et al. 2001b). Однако при этом не было проведено статистического анализа, а приведенные авторами гистограммы потенциала формирования нуклеосом интронов и экзонов в основном перекрывались. В этих работах не была исследована связь потенциала формирования нуклеосом нуклеотидных последовательностей с долей ГЦ-пар в них.

Эволюция многоклеточных сопровождалась как сильным усложнением регуляции транскрипции, так и увеличением дистанции от данного гена, на которой могут находится регуляторные последовательности (Levine, Tjian 2003). Регуляторные элементы (промоторы, энхансеры, сайленсеры, инсуляторы) могут быть распределены в межгенных промежутках на расстояниях от регулируемого гена примерно до 10 тыс. п.н. в геноме дрозофилы и до 100 тыс. п.н. в геноме человека (Levine, Tjian 2003). Это различие (в 10 раз) хорошо согласуется с различием размеров генома между дрозофилой и человеком (для эухроматической части: 117 млн п.н. против 2910 млн п.н., соответственно), особенно если учесть, что у человека примерно в два раза больше генов, чем у дрозофилы. Необходимо также отметить, что в геноме дрожжей регуляторные элементы могут находится только до нескольких сот п.н. от регулируемого гена (Levine, Tjian 2003). Это различие в размерах потенциальной регуляторной области гена также хорошо согласуется с разницей размеров генома дрожжей и геномов вышеупомянугых многоклеточных (размер генома дрожжей - 12 млн п.н.).

Проблема взаимоотношения между размером генома, размером генов и сложностью их регуляции получила свое преломление в области функциональной геномики. Несколько лет назад в ведущих международных журналах почти одновременно были опубликованы три работы, в которых было показано, что активно и широко экспрессируемые гены человека короче, чем тканеспецифичные гены - как в кодирующей, так и в интронной последовательности (Castillo-Davis et al. 2002; Eisenberg, Levanon 2003; Urrutia, Hurst 2003). Поскольку транскрипция и трансляция энергетически затратны, это явление было интерпретировано как результат отбора на экономичность в активно экспрессируемых генах и • мутационного давления, увеличивающего размер слабо экспрессируемых генов.

Это объяснение подразумевает отсутствие связи между размером гена и его функциональной нагрузкой. Фактически, оно аналогично "пермиссивной" интерпретации вариабельности размера генома, т.к. предполагает, что избыточная ДНК просто "терпима" в генах с низким уровнем экспрессии. В нашей работе развивается альтернативная концепция, учитывающая функциональную нагрузку гена и сложность его регуляции.

Доля ГЦ-пар, физические свойства ДНК и конденсация хроматина: внутригеномная вариабельность

Геномы теплокровных имеют сильную внутригеномную вариабельность доли ГЦ-пар. Они состоят из т.н. изохор, т.е. участков ДНК размером >300 тыс. п.н., имеющих сходный ГЦ-состав (отличающийся от ГЦ-состава соседних изохор), которые определяют характерный хромосомный бэндинг (обзоры: Bernardi 2000, 2004; Eyre-Walker, Hurst 2001). Впервые изохоры были обнаружены по распределению сегментов ДНК при центрифугировании в градиенте хлористого цезия, поскольку ГЦ-богатая ДНК имеет более высокую плотность по сравнению с АТ-богатой (из-за третьей водородной связи). Поэтому ГЦ-богатые изохоры иногда называют "тяжелыми", а АТ-богатые - "легкими". Хотя ГЦ-богатые изохоры составляют только 10-15% генома млекопитающих, концентрация генов в наиболее "тяжелых" изохорах (НЗ) в 20 раз выше, чем в АТ-богатых изохорах (Bernardi 2000; D'Onofrio et al. 1999). Кодирующие последовательности "тяжелых" изохор имеют наиболее высокую долю ГЦ-пар, но интронные и межгенные последовательности также обогащены ГЦ-парами по сравнению с "легкими" изохорами (Clay et al. 1996; Alvarez-Valin et al. 1998; Musto et al. 1999).

До нашей работы в литературе имелись две основные интерпретации изохорной стуктуры геномов теплокровных. Нейтралистская интерпретация объясняла появление изохор внутригеномной вариацией мутационного давления (в широком смысле слова, включая генную конверсию) (Wolfe et al. 1989; Eyre-Walker 1994; Francino, Ochman 1999; Fryxell, Zuckerkandl 2000; Sueoka, Kawanishi 2000; Galtier et al. 2001; IHGSC 2001). Селекционистская гипотеза связывала появление более термоустойчивых ГЦ-богатых изохор с повышенной температурой тела теплокровных (D'Onofrio et al. 1999; Bernardi 2000).

Однако, гипотеза термоустойчивости не объясняет существование АТ-богатых изохор. Кроме того, не было обнаружено корреляции доли ГЦ-пар в геноме бактерий и холоднокровных позвоночных с температурой окружающей среды (Galtier, Lobry J.R. 1997; Hurst, Merchant 2001; Belle et al. 2002; Ream et al. 2003). С исторической точки зрения можно отметить также гипотезу, которая связывала вариабельность доли ГЦ-пар в геноме с использованием оптимальных для трансляции кодонов (D'Onofrio et al. 1999; Bernardi 2000). Однако она не объясняет, почему доля ГЦ-пар некодирующей ДНК (интронов и межгенных промежутков) коррелирует с долей ГЦ-пар кодирующих последовательностей.

К проблеме внутригеномной вариабельности доли ГЦ-пар имеет отношение и проблема островков (islands) повышенного содержания ЦфГ-динуклеотидов (в основном, в промоторной области генов и в интронах), которые обычно имеют и более высокую долю ГЦ-пар (Larsen et al. 1992; Ponger et al. 2001; Robinson et al.

2004; Yamashita et al. 2005). Эти островки, по-видимому, связаны с регуляцией экспрессии генов. Метилирование цитозина в островках ЦфГ-динуклеотидов приводит к подавлению экспрессии генов (Turker 2002; Yates et al. 2003; Fazzari, Greally 2004). Метилированный цитозин в ЦфГ-динуклеотидах может мутировать в тимин, поэтому концентрация ЦфГ-динуклеотидов в геномах позвоночных обычно ниже ожидаемой, исходя из доли ГЦ-riap (Fazzari, Greally 2004). Островками обычно называют такие участки генома, где отношение реальной концентрации ЦфГ-динуклеотидов к ожидаемой превышает 0.6 (а длина последовательности ДНК более 200 п.н.) (Larsen et al. 1992; Ponger et al. 2001; Robinson et al. 2004; Yamashita et al. 2005).

Каким образом островки ЦфГ-динуклеотидов участвуют в регуляции экспрессии генов пока непонятно. В данной работе мы исследовали возможность того, что связь между этими островками и регуляцией экспрессии осуществляется через влияние ЦфГ-динуклеотидов на степень конденсации хроматина.

Прогрессивная эволюция

Помимо расхождения в объяснении базовых свойств структуры генома (размера генов, сегментов некодирующей ДНК и доли ГЦ-пар), различие между нейтралистскими и адаптационистскими концепциями проявляется и в более глубоком, мировоззренческом аспекте — при выявлении причин увеличения сложности организмов (т.н. прогрессивной эволюции). Нейтралистские интерпретаторы приходят к выводу, что это увеличение происходит в результате ослабления отбора и является просто следствием мутационного давления (напр., Lynch, Conery 2003; Koonin 2004). Другими словами, информация, необходимая для повышения уровня биологической организации, должна создаваться из шума без участия отбора ("демона Максвелла"), что фактически противоречит второму закону термодинамики. ! iCi'

Прогрессивная эволюция представляет собой интригующее и, возможно, наиболее важное биологическое и социальное явление. Ее движущие силы и способы оценки уровня достигнутой в эволюции сложности до сих пор остаются предметом дебатов (Bonner 1998, 2004; McShea 1996; Szathmary et al. 2001; Wolfe 2001; Gould 2002). Одной из важнейших и давно признанных черт прогрессивной эволюции является увеличение "разделения труда" между элементами системы, сопровождающееся их специализацией (Smith 1776; Spencer 1891; Bonner 1988; McShea 1996; Gould 2002). В многоклеточных организмах это отражается в клеточной дифференцировке с соответствующим увеличением числа типов клеток в организме и появлением тканеспецифичных генов.

Однако, подсчет морфологически различимых клеточных типов довольно затруднителен и весьма неопределенен для высших многоклеточных организмов (Carroll 2001; Bonner 2004). Более того, могут существовать типы клеток, которые не различимы морфологически. Аналогично, не существует универсального (подходящего для всех типов клеток) индикатора степени дифференцированности клеток. Вероятно, такой индикатор нужно искать на молекулярном уровне, причем в "омиксном" масштабе данных.

Сравнение человек-мышь представляет собой идеальную модель для поиска молекулярных и клеточных механизмов, обеспечивающих различие в уровне организации, поскольку оба вида принадлежат к одному и тому же классу животных, т.е. имеют гомологичные ткани и много ортологичных генов. Мышь имеет более низкий уровень организации вследствие r-отбора (т.е. отбора на скорость размножения, а не на сложность организации, являющуюся результатом K-отбора; Larke, Crews 2006). Геномы обоих модельных видов хорошо изучены, для них имеются обширные данные по транскриптомам, полученные с помощью схожих микроэррэйных платформ. Кроме того, мышь является важной биомедицинской моделью, и полученные на ней данные часто переносятся на человека.

В нейтралистских анализах дело доходит до курьезов: например, авторы одного транскриптомного анализа пришли к выводу, что различия в паттернах генной экспрессии между гомологичными тканями человека и мыши — случайные (Yanai et al. 2004). Из этого должно следовать, что и различия в фенотипе между человеком и мышью - случайные.

Следует также отметить, что проблему возрастания уровня сложности биологической организации часто рассматривают вместе с проблемой увеличения размера генома. Так, например, была высказана нейтралистская гипотеза о том, что увеличение сложности геномов (вызываемое дупликацией сегментов генома и активностью мобильных элементов) является просто следствием уменьшения размеров популяций, связанным с увеличением размеров организмов (Lynch, Conery 2003). Уменьшение размеров популяций приводит к снижению интенсивности отбора и поэтому, по мнению авторов, влияние мутационного давления, увеличивающего размер генома, начинает превалировать над отбором.

Фактически в данной статье речь идет о размере генома (и анализируются данные именно по размеру генома). Однако, как уже было отмечено раньше (в разделе " Размер генома, конденсация хроматина и размер внутригеномных элементов"), размер генома коррелирует со сложностью организмов только до некоторой степени. У многих пойкилотермных организмов наблюдаются значительные различия размеров генома (в десятки и сотни процентов) даже в пределах рода (т.е. между близкими видами, которые не могут различаться уровнем организации).

Следует подчеркнуть, что ослабление отбора (т.е. усиление влияния стохастического мутационного давления) предлагается нейтралистами в качестве движущей силы как увеличения размера генома, так и возрастания сложности геномов (и организмов). I

Факторы эволюции кодирующей ДНК

Хотя белок-кодирующая ДНК составляет менее 2% генома человека (IHGSC 2001;Venter et al. 2001), она несомненно является наиболее важной его частью. Факторы, влияющие на скорость эволюции несинонимных позиций в кодирующей ДНК (т.е. белков), давно обсуждаются в молекулярной биологии (обзор: Koonin, Wolf 2006). Это проблема важна прежде всего потому, что выявление факторов, определяющих скорость эволюции, позволяет судить о том, какие факторы вообще влияют на эволюцию белков (и, таким образом, о причинах того, почему современные белки такие какие есть). В первую очередь, это вопрос о том, эволюционирует ли белок сам по себе, как это предполагалось в генетике "мешка с бобами" ('beanbag' genetics), или системные факторы являются определяющими? Дилемма генетики "мешка с бобами" и генетики системных факторов, восходящая еще к Дж.Холдейну и Э.Майру, обсуждается в работах: Crow (2001), Wilkins (2007), Heng (2008), Lakhotia (2008), Rao, Nanjundiah (2010).

По этому вопросу существуют противоречивые мнения. Парадоксально, но даже после возникновения биологии систем превалирующей остается нейтралистская точка зрения, согласно которой главным детерминантом скорости эволюции белка является уровень экспрессии кодирующего этот белок гена. Предполагается, что негативная связь между скоростью эволюции и уровнем экспрессии возникает в результате стабилизирующего (purifying) отбора против токсичности неправильно свертывающихся мутантных белков, который должен быть более сильным в случае более интенсивно экспрессирующихся генов (Drummond et al. 2006; Koonin, Wolf 2006; Kawahara, Imanishi 2007; Drummond, H; • Wilke 2008; Powers, Balch 2008).

Другими словами, предполагается, что эволюция белка определяется индивидуальным (по-генным) эффектом. Полагают, что остальные факторы играют второстепенную роль или даже что их эффект объясняется корреляцией с уровнем экспрессии гена (Drummond et al. 2006; Koonin, Wolf 2006; Hakes et al. 2007). Например, было высказано предположение, что близкие скорости эволюции белков, кодируемых ко-экспрессированными генами, объясняются сходством уровней экспрессии этих генов (Fraser et al. 2004; Hakes et al. 2007).

Материалы и методы

Заключение диссертации по теме «Молекулярная биология», Виноградов, Александр Евгеньевич

Выводы

1) У наземных позвоночных существует негативная зависимость между размером генома и интенсивностью метаболизма (независимого от размера тела), предполагающая функциональное (адаптивное) значение некодирующей ДНК. У них обнаружены две линии регрессии интенсивности метаболизма на размер генома. Одна линия представлена млекопитающими и амфибиями, вторая (с более крутым наклоном) - птицами и рептилиями. У наземных позвоночных существуют также зависимости между размером генома и долей ГЦ-пар и между долей ГЦ-пар, потенциалом образования нуклеосом и размером клеточного ядра (т.е. конденсацией хроматина).

2) Гибкость и способность к B-Z переходу дуплекса ДНК увеличиваются при увеличении содержания ГЦ-пар быстрее, чем в рандомизированных последовательностях, а термостабильность — медленнее. Доля ГЦ-пар негативно коррелирует с потенциалом образования нуклеосом. Эти данные позволяют ■ отвергнуть имеющееся в литературе представление о том, что "тяжелые " (ГЦ-богатые) изохоры возникли в геноме теплокровных для обеспечения термостабильности молекулы ДНК, и предположить, что их возникновение связано с активацией транскрипции в этих участках генома.

3) Гены человека с промежуточной межтканевой широтой экспрессии (т.е. не тканеспецифичные и не общеклеточные) имеют наибольший размер (как интронной, так и кодирующей части), а кодируемые ими белки содержат наибольшее число функциональных доменов. Эти гены имеют наибольшую функциональную сложность на всех исследованных уровнях: в сетях белковых взаимодействий, биохимических путях, модулях, описываемых категориями Gene Ontology, группах генов, регулируемых определенными транскрипционными факторами, группах генов, кодирующих определенные функциональные белковые домены, группах "слов" аминокислотных последовательностей кодируемых белков и нуклеотидных последовательностей интронов и промоторных участков. На модулярном уровне (т.е. на уровне групп генов, связанных общей функцией) дихотомия общеклеточных и тканеспецифичных объектов выражена сильнее, чем на уровне отдельных генов. Предполагается, что именно сложность регуляции генов и генных модулей с промежуточной широтой экспрессии и привела к возникновению дихотомии общеклеточных и тканеспецифичных генов и модулей.

4) Для одного и того же набора гомологичных (ортологичных) генов и гомологичных тканей у человека больше доля тканеспецифичных генов и более высокое отношение экспрессии тканеспецифичных генов к экспрессии общеклеточных генов, чем у мыши. Гены, которые изменили межтканевую широту экспрессии, показывают также большую эволюционную дивергенцию нуклеотидной последовательности промоторных участков и аминокислотной последовательности кодируемых белков. Эти молекулярные данные показывают, что повышение уровня биологической организации связано с более высокой степенью специализации (дифферепцировки) клеток.

5) Скорость эволюции ко-экспрессированных генов, белков-интерактантов и белков, принадлежащих к одному и тому же биохимическому пути, является наиболее важным фактором, определяющим скорость эволюции белков млекопитающих. Другим важным фактором является сложность регуляции кодирующего белок гена. Белки, кодируемые более сложно-регулируемыми генами, эволюционируют медленней. Эти данные показывают, что системные факторы доминируют в эволюции белок-кодирующей ДНК млекопитающих.

6) Подводя общий итог, можно сделать вывод, что все исследованные в данной работе свойства генома (перечисленные в пунктах 1-5) имеют функциональное значение.

Список литературы диссертационного исследования доктор биологических наук Виноградов, Александр Евгеньевич, 2011 год

1. Виноградов А.Е. 1999. Парадокс размера генома и проблема избыточной ДНК. Цитология 41:5-13.

2. Виноградов А.Е., Розанов Ю.М., Гусев Е.В. 1990. Способ определения жизнеспособности клеток. Бюл. открытий и изобретений N 36, авторское свидетельство N 1596247.

3. Розанов Ю.М. 1988. Проточная цитометрия. В Сб. "Методы культивирования клеток". Л. "Наука", с. 136-146.

4. Affymetrix inc. 2004. GeneChip Expression Analysis. Data Analysis Fundamentals.

5. Albrethsen J., Knol J.C., Jimenez C.R. 2009. Unravelling the nuclear matrix proteome.,/. Proteomics 72: 71-81.

6. Allison D.C., Ridolpho P.F., Rasch E.M., Rasch R.W., Johnson T.S. 1981. Increased accuracy of absorption cytophotometric DNA values by control of stain intensity.,/. Histochem. Cytochem. 29: 1219-1228.

7. Altman P.L., Ditmer D.S. 1974. Biology Data Book, vol. Ill, pp. 137-139. Federation of American Societies for Experimental Biology. Bethesda, Md.

8. Alvarez-Valin F., Jabbari K., Bernardi G. 1998. Synonymous and nonsynonymous substitutions in mammalian genes: intragenic correlations. J. Mol. Evol. 46, 37-44.

9. Andrews C.B., Mackenzie S.A., Gregory T.R. 2009. Genome size and wing parameters in passerine birds. Proc. Roy. Soc. B. 276: 55-61.

10. Anselmi C., Bocchinfuso G., De Santis P., Savino M., Scipioni A. 1999. Dual role of DNA intrinsic curvature and flexibility in determining nucleosome stability. J. Mol. Biol. 286: 1293-1301.

11. Anselmi C., Bocchinfuso G., De Santis P., Savino M., Scipioni A. 2000. A theoretical model for the prediction of sequence-dependent nucleosome thermodynamic stability. Biophys. J. 79: 601-613.

12. Babcock M., Pavlicek A., Spiteri E., Kashork C.D., Ioshikhes I., Shaffer L.G., Jurka J., Morrow B.E. 2003. Shuffling of genes within low-copy repeats on 22ql 1 (LCR22) by Alu-mediated recombination events during evolution. Genome Res. 13: 2519-2532.

13. Bachmann K. 1970. Feulgen slope determinations of urodele nuclear DNA amounts. Histochemistry 22: 289-293.

14. Bancaud A., Huet S., Daigle N., Mozziconacci J., Beaudouin J., Ellenberg J. 2009. Molecular crowding affects diffusion and binding of nuclear proteins in heterochromatin and reveals the fractal organization of chromatin. EMBO J. 28: 37853798.

15. Belle E.M., Smith N., Eyre-Walker A. 2002. Analysis of the phylogenetic distribution of isochores in vertebrates and a test of the thermal stability hypothesis. J. Mol. Evol. 55: 356-363.

16. Benhamouche S., Decaens Т., Godard C., Chambrey R., Rickman D.S., Moinard C., Vasseur-Cognet M., Kuo C.J., Kahn A., Perret C., Colnot S. 2006. Ape tumor suppressor gene is the "zonation-keeper" of mouse liver. Dev. Cell 10: 759-770.

17. Bennett M.D. 1971. The duration of meiosis. Proc. Roy. Soc. Lond. В 178: 277-299.

18. Bennett M.D. 1987. Variation in genomic form in plants and its ecological implications. New Phytologist 106 (Suppl.): 177-200.

19. Bennett M.D., Leicht I.J. 1995. Nuclear DNA amount in Angiosperms. Ann. Bot. 76: 113176.

20. Bennett P.M., Harvey P.H. 1987. Active and resting metabolism in birds: allometry, phylogeny and ecology. J. Zool. 213: 327-363.

21. Bennetzen J.L., Hall B.D. 1982. Codon selection in yeast. J. Biol. Chem. 257: 3026-3031.

22. Bensasson D., Petrov D.A., Zhang D.X., Hartl D.L., Hewitt G.M. 2001. Genomicgigantism: DNA loss is slow in mountain grasshoppers. Mol. Biol. Evol. 18: 246-253.

23. Benton M.J. 2009. The Red Queen and the Court Jester: species diversity and the role of biotic and abiotic factors through time. Science 323: 728-732.

24. Bernardi G. 2000. Isochores and the evolutionary genomics of vertebrates. Gene 241: 3-17.

25. Bernard! G. 2004. Structural and Evolutionary Genomics. Natural Selection in Genome Evolution. Elsevier, Amsterdam.

26. Bernardi G., Bernardi G. 1990. Compositional patterns in the nuclear genome of coldblooded vertebrates. J. Mol. Evol. 31: 265-281.

27. Bird A.P. 1995. Gene number, noise reduction and biological complexity. Trends Genet. 11: 94-100.

28. Bishop C.M. 1997. Heart mass and the maximum cardiac output of birds and mammals: implications for estimating the maximum aerobic power input of flying animals. Phil. Trans. R. Soc. B 352:447^156.

29. Bishop C.M. 1999. The maximum oxygen consumption and aerobic scope of birds and mammals: getting to the heart of the matter. Proc. R. Soc. B 266: 2275-2281.

30. Bishop C.M. 2005. Circulatory variables and the flight performance of birds. J. Exp: Biol. 208: 1695-1708.

31. Bishop C.M., Butler P.J. 1995. Physiological modeling of oxygen consumption in birds during flight. J. Exp. Biol. 198:2153-2163.

32. Blank T.A., Becker P.B. 1996. The effect of nucleosome phasing sequences and DNA topology on nucleosome spacing. J. Mol. Biol. 260: 1-8.

33. Bonner J.T. 1988. The evolution of complexity. Princeton Univ. Press, Princeton, NJ.

34. Bonner J.T. 2004. Perspective: the size-complexity rule. Evolution 58: 1883-1890.

35. Braeuning A., Ittrich C., Köhle C., Haiiflnger S., Bonin M., Buchmann A., Schwarz M. 2006. Differential gene expression in periportal and perivenous mouse hepatocytes. FEBSJ. 273: 5051-5061.

36. Cao H., Widlund H.R., Simonsson T., Kubista M. 1998. TGGA repeats impair nucleosome formation. J. Mol. Biol. 281: 253-260.

37. Carroll S.B. 2001. Chance and necessity: the evolution of morphological complexity and diversity. Nature 409: 1102-1109.

38. Castillo-Davis C.I. Mekhedov S.L., Hartl D.L., Koonin E.V., Kondrashov F.A. 2002. Selection for short introns in highly expressed genes. Nature Genet. 31: 415-418.

39. Cavalier-Smith T. 1978. Nuclear volume control by nucleoskeletal DNA, selection' for cell volume and cell growth rate, and the solution of the DNA C-value paradox. J. Cell Sei. 34: 247-278.

40. Cavalier-Smith T. 1985. Cell volume and the evolution of eukaryote genome size. In: Cavalier-Smith T (ed) The Evolution of Genome Size. John Wiley Sons, Chichester, pp. 105-184.

41. Chamary J.V., Parmley J.L., Hurst L.D. 2006. Hearing silence: non-neutral evolution at synonymous sites in mammals. Nat. Rev. Genet. 7: 98-108.

42. Chapman M. G. 1995. Spatial patterns of shell shape of three species of co-existing littorinid snails in New South Wales, Australia. J. Molluscan Stud. 61: 141-162.

43. Chappell M.A., Bech C., Buttemer W.A. 1999. The relationship of central and peripheral organ masses to aerobic performance variation in house sparrows. J. Exp. Biol. 202: 2269-2279.

44. Chiapello H., Lisacek F., Caboche M., Henaut A. 1998. Codon usage and gene function are related in sequences of Arabidopsis thaliana. Gene 209: GC1-GC38.

45. Churbanov A., Rogozin I.B., Babenko V.N., Ali H., Koonin E.V. 2005. Evolutionary conservation suggests a regulatory function of AUG triplets in 5'-UTRs of eukaryotic genes. Nucleic Acids Res. 33: 5512-5520.

46. Clark A.J. 1927. Comparative physiology of the heart. New York: Macmillan.

47. Clay O., Caccio S., Zoubak S., Mouchiroud D., Bernardi G. 1996. Human coding and noncoding DNA: compositional correlations. Mol. Phylogenet. Evol. 5: 2-12.

48. Cohen-Gihon I., Lancet D., Yanai I. 2005. Modular genes with metazoan-specifíc domains have increased tissue specificity. Trends Genet. 21: 210-213.

49. Conley K.E., Christian K.A., Hoppeler H., Weibel E.R. 1989. Capillary and mitochondrial unit in muscles of a large lizard. Am. J. Physiol. 256: R982-R988.

50. Conley K.E., Christian K.A., Hoppeler H., Weibel E.R. 1995. Heart mitochondrialproperties and aerobic capacity are similarly related in a mammal and a reptile. J. Exp Biol. 198: 739-746.

51. Constable P., Hinchcliff K., Demma N., Callahan M., Dale B„ Fox K., Adams L., Wack R., Kramer L. 1998. Electrocardiographic consequences of a peripatetic lifestyle in gray wolves Canis lupus. Comp. Biochem. Physiol. A Mol. Integr. Physiol. 120: 557563.

52. Crile, G., Quiring, D.P. 1940 A record of the body weight and certain organ and gland weights of 3690 animals. The Ohio Journal of Science 40: 219-285.

53. Croft D., O'Kelly G., Wu G., Haw R., Gillespie M., Matthews L., Caudy M., Garapati P., Gopinath G., Jassal B., et al. 2011. Reactome: a database of reactions, pathways and biological processes. Nucleic Acids Res. 39: D691- D697.

54. Crow J.F. 2001. The beanbag lives on. Nature 409: 771.

55. Daan S., MasmanD., Groenewold A. 1990. Avian basal metabolic rates: their association with body composition and energy expenditure in nature. Am. J. Physiol. 259: R333-R340.

56. D'Onofrio G., Jabbari K., Musto H., Alvarez-Valin F., Cruveiller S., Bernardi G. 1999. Evolutionary genomics of vertebrates and its implications. Ann. N.Y. Acad. Sci. 870: 81-94.

57. Doolittle W.F., Sapienza C. 1980. Selfish genes, the phenotype paradigm and genome evolution. Nature 284: 601-603.

58. Drummond D.A., Raval A., Wilke C.O. 2006. A single determinant dominates the rate of yeast protein evolution. Mol. Biol. Evol. 23: 327-337.

59. Drummond D.A., Wilke C.O. 2008. Mistranslation-induced protein misfolding as a dominant constraint on coding-sequence evolution. Cell 134: 341-352.

60. Eisenberg E., Levanon E.Y. 2003. Human housekeeping genes are compact. Trends Genet. 19: 362-365.

61. ElgarM.A., Harvey P.H. 1987. Basal metabolic rates in mammals: allometry, phylogeny and ecology. Functional Ecology 1: 25-36.

62. Eyre-Walker A. 1994. DNA mismatch repair and synonymous codon evolution in mammals. Mol. Biol. Evol. 11: 88-98.

63. Eyre-Walker A., Hurst L.D. 2001. The evolution of isochores. Nat. Rev. Genet. 2: 549555.

64. Fan K., Wang W. 2003. What is the minimum number of letters required to fold a protein? J. Mol. Biol. 328: 921-926.

65. Fazzari M.J., Greally J.M. 2004. Epigenomics: beyond CpG islands. Nat. Rev. Genet. 5: 446-455.

66. Francino M.P., Ochman H. 1999. Isochores result from mutation not selection. Nature 400: 30-31.

67. Fraser H.B., Hirsh A.E., Wall D.P., Eisen M.B. 2004. Coevolution of gene expression among interacting proteins. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101: 9033-9038.

68. Fryxell K.J., Zuckerkandl E. 2000. Cytosine deamination plays a primary role in the evolution of mammalian isochores. Mol. Biol. Evol. 17: 1371-1383.

69. Fudge D.S., Ballantyne J.S., Stevens E.D. 2001. A test of biochemical symmorphosis in a heterothermic tissue: bluefin tuna white muscle. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 280: R108-R114.

70. Funke R.P., Kolchinsky A., Gresshoff P.M. 1993. Physical mapping of a region in the soybean (Glycine max) genome containing duplicated sequences. Plant Mol. Biol. 22: 437-446.

71. Gabrielian A., Pongor S. 1996. Correlation of intrinsic DNA curvature with DNA property periodicity. FEBSLet. 393: 65-68.

72. Galtier N., Lobry J.R. 1997. Relationships between genomic G+C content, RNA secondary structures, and optimal growth temperature in prokaryotes. J. Mol. Evol. 44: 632-636.

73. Galtier N., Piganeau G., Mouchiroud D., Duret L. 2001. GC-content evolution inmammalian genomes, the biased gene conversion hypothesis. Genetics 159: 907-911.

74. Garland T. Jr. 1984. Physiological correlates of locomotory performance in a lizard: an allometric approach. Am. J. Physiol. 247: R806-R815.

75. Gebauer F., Hentze M.W. 2004. Molecular mechanisms of translational control. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 5: 827-835.

76. Gene Ontology Consortium. 2010. The Gene Ontology in 2010: extensions and refinements. Nucleic Acids Res. 38: D331-D335.

77. Gilbert N., Lutz-Prigge S., Moran J.V. 2002. Genomic deletions created upon LINE-1 retrotransposition. Cell 110: 315-325.

78. Goffeau A., Barrell B.G., Bussey H., Davis R.W., Dujon B., Feldmann R, Galibert F., Hoheisel J.D., Jacq C., et al. 1996. Life with 6000 genes. Science 274: 546-567.

79. Goodsell D.S., Dickerson R.E. 1994. Bending and curvature calculations in B-DNA. Nucleic Acids Res. 22: 5497-5503.

80. Gould S J. 2002. The Structure of Evolutionary Theory. Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts.

81. Green J.A. 2010. The heart rate method for estimating metabolic rate: Review andrecommendations. Comp. Biochem. Physiol. A Mol. Integr. Physiol. Epub ahead of print. PMID: 20869457.

82. Gregory T.R. 2002. A bird's-eye view of the C-value enigma: genome size, cell size, and metabolic rate in the class Aves. Evolution 56: 121-130.

83. Gregory T.R., Andrews C.B., McGuire J.A., Witt C.C. 2009. The smallest avian genomes are found in hummingbirds. Proc. Roy. Soc. B. 276: 3753-3757.

84. Gregory T.R., Nicol J.A., Tamm H., Kullman B., Kullman K., Leitch I.J., Murray B.G., Kapraun D.F., Greilhuber J., Bennett M.D. 2007. Eukaryotic genome size databases. Nucleic Acids Res. 35: D332-D338.

85. Grime, J. P., Shacklock J. M. L., Band S. R. 1985. Nuclear DNA contents, shoot phenology and species coexistence in a limestone grassland community. New Phytologist 100: 435-445.

86. Hakes L., Lovell S.C., Oliver S.G., Robertson D.L. 2007. Specificity in proteininteractions and its relationship with sequence diversity and coevolution. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104: 7999-8004.

87. Hammond K.A, Diamond J. 1997. Maximal sustained energy budgets in human and animals. Nature 386: 457-462.

88. Hartman, F.A. 1955. Heart weight in birds. Condor 57: 221-234.

89. Heath D.J. 1975. Colour, sunlight and internal temperatures of the land snail Cepaea nemoralis (L.). Oecologia 19: 29-38.

90. Heng H.H. 2008. The gene-centric concept: a new liability? Bioessays 30: 196-197.

91. Herbert A., Rich A. 1996. The biology of left-handed Z-DNA. J. Biol. Chem. 21V. \ 159511598.

92. Herbert A., Rich A. 1999. Left-handed Z-DNA, structure and function. Geneiica 106: 3747.

93. Hoffman J., Katz U. 1997. Salt and water balance in the toad Bufo viridis during recovery from two different osmotically stressful conditions. Comp. Biochem. Physiol. A 111: 147-154.

94. Holmquist G.P. 1989. Evolution of chromosome bands: molecular ecology of noncoding DNA. J. Mol. Evol. 28: 469-486.

95. Hoppeler H., Mathieu O., Krauer R., Claassen H., Armstrong R.B., Weibel E.R. 1981. Design of the mammalian respiratory system. VI Distribution of mitochondria and capillaries in various muscles. Respir. Physiol. 44: 87-111.

96. Hoppeler H., Weibel E.R. 1998. Limits for oxygen and substrate transport in mammals. J. Exp. Biol. 201: 1051-1064.

97. Hoppeler H., Weibel E.R. 2000. Structural and functional limits for oxygen supply to muscle. Acta Physiol. Scand. 168: 445-456.

98. Hunter S., Apweiler R., Attwood T.K., Bairoch A., Bateman A., Binns D., Bork P., Das U., Daugherty L., Duquenne L., et al. 2009. InterPro: the integrative protein signature database. Nucleic Acids Res. 37: D211-D215.

99. Hurst L.D. 1995. Evolutionary genetics. The silence of the genes. Curr. Biol. 5: 459-461.

100. Hurst L.D., Merchant A.R. 2001. High guanine-cytosine content is not an adaptation to high temperature, a comparative analysis amongst prokaryotes. Proc. R. Soc. B 268: 493-497.

101. James J. 1972. DNA constancy and chromatin structure in some cell nuclei of Amphiuma. Histochem. J. 4: 181-192 .

102. Jurka J. 2000. Repbase update, a database and an electronic journal of repetitive elements. Trends Genet. 16: 418-420.

103. Jurka J., Kapitonov V.V., Pavlicek A., Klonowski P., Kohany O., Walichiewicz J. 2005. Repbase Update, a database of eukaiyotic repetitive elements. Cytogenet. Genome Res. 110: 462-467.

104. Kanehisa M., Araki M., Goto S., Hattori M., Hirakavva M., Itoh M., Katayama T., Kawashima S., Okuda S., Tokimatsu T., Yamanishi Y. 2008. KEGG for linking genomes to life and the environment. Nucleic Acids Res. 36: D480- D484.

105. Karlin S., Mrazek J. 1996. What drives codon choices in human genes? J. Mol. Biol. 262: 459-72.

106. Kato H., Harada M., Tsuchiya K., Moriwaki K. 1980. Absence of correlation between DNA repair in ultraviolet irradiated mammalian cells and life span of the donor species. Japan J. Genet. 55: 99-108.

107. Kawahara Y., Imanishi T. 2007 A genome-wide survey of changes in protein evolutionary rates across four closely related species of Saccharomyces sensu stricto group. BMC Evol. Biol. 7: 9.

108. Keightley P.D., Gaffney D.J. 2003. Functional constraints and frequency of deleterious mutations in noncoding DNA of rodents. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100: 13402-13406.

109. Kim C., Rubin C.M., Schmid C.W. 2001. Genome-wide chromatin remodeling modulates the Alu heat shock response. Gene 276: 127-133.

110. Kimchi-Sarfaty C., Oh J.M., Kim I.W., Sauna Z.E., Calcagno A.M., Ambudkar S.V.,

111. Gottesman M.M. 2007. A "silent" polymorphism in the MDR1 gene changes substrate specificity. Science 315: 525-528.

112. Kindler S., Wang H., Richter D., Tiedge H. 2005. RNA transport and local control of translation. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 21: 223-245.

113. Knoll A.H. 1992. The early evolution of eukaryotes: a geological perspective. Science 256: 622-627.

114. Koonin E.V. 2004. A non-adaptationist perspective on evolution of genomic complexity or the continued dethroning of man. Cell Cycle 3: 280-285.

115. Koonin E.V., Wolf Y.I. 2006. Evolutionary systems biology: links between gene evolution and function. Curr. Opin. Biotechnol. 17: 481-487.

116. Nucleosome formation potential of exons, introns, and Alu repeats. Bioinformatics 17: 1062-1064.

117. T., Fan K., Wang J., Wang W. 2003. Reduction of protein sequence complexity by residue grouping. Protein Eng. 16: 323-330.

118. Macgillivray C.W., Grime J.P. 1995. Genome size predicts frost resistance in British herbaceous plants: implications for rates of vegetation response to global warming. Functional Ecology 9: 320-325.

119. Machida N., Aohagi Y. 2001. Electrocardiography, heart rates, and heart weights of free-living birds. J. Zoo Wildl. Med. 32: 47-54.

120. Majewski J., Ott J. 2002. Distribution and characterization of regulatory elements in the human genome. Genome Res. 12: 1827-36.

121. Mattick J.S., Gagen M.J. 2005. Accelerating networks. Science 307: 856-858.

122. McAdams H.H., Arkin A. 1999. It's a noisy business! Genetic regulation at the nanomolar scale. Trends Genet. 15: 65-69.

123. McKean, T., Li, G. and Wei, K. 2002 Cardiac effects of hypoxia in theneotenous tiger salamander Ambystoma tigrinum. J. Exp. Biol. 205, 17251734.

124. McNab B.K. 1988. Complications inherent in scaling the basal rate of metabolism in mammals. O. Rev. Biol. 63: 25-54.

125. McShea D.W. 1996. Metazoan complexity and evolution: Is there a trend? Evolution 50: 477-492.

126. McShea D.W. 2001. The hierarchical structure of organisms: a scale and documentation of a trend in the maximum. Paleobiology 27: 405-423.

127. Medstrand P., van de Lagemaat L.N., Mager D.L. 2002. Retroelement distributions in the human genome: variations associated with age and proximity to genes. Genome Res. 12: 1483-1495.

128. Meerlo P., Bolle L., Visser G.H, Masman D., Daan S. 1997. Basal metabolic rate inrelation to body composition and daily energy expenditure in the field vole, Microtus agrestis. Physiol. Zool. 70: 362—369.

129. Mignone F., Gissi C., Liuni S., Pesole G. 2002. Untranslated regions of mRNAs. Genome Biol. 3: REVIEWS0004.

130. Mohd-Sarip A., Verrijzer C.P. 2004. A higher order of silence. Science 306: 1484-1485.

131. Morris C.K., Froelicher V.F. 1991. Cardiovascular benefits of physical activity. Herz 16: 222-236.

132. Munteanu M.G., Vlahovicek K., Parthasarathy S., Simon I., Pongor S. 1998. Rod models of DNA, sequence-dependent anisotropic elastic modelling of local bending phenomena. 775523: 341-347.

133. Musto H., Romero H., Zavala A., Bernardi G., 1999. Compositional correlations in the chicken genome. J. Mol. Evol. 49: 325-329. 1 1'

134. Nemeth A., Langst G. 2004. Chromatin higher order structure: opening up chromatin for transcription. Brief. Fimct. Genomics Proteomics 2: 334-343.

135. Olmo E. 1983. Nucleotype and cell size in vertebrates: a review. Basic Appl. Histochem. 27: 227-254.

136. Organ C.L., Brusatte S.L, Stein K. 2009. Sauropod dinosaurs evolved moderately sized genomes unrelated to body size. Proc. Roy. Soc. B. 276: 4303-4308.

137. Orgel L.E., Crick F.H. 1980. Selfish DNA: the ultimate parasite. Nature 284: 604-607.

138. Parnaik V.K. 2008. Role of nuclear lamins in nuclear organization, cellular signaling, and inherited diseases. Int. Rev. Cell Mol. Biol. 266: 157-206.

139. Petrov D.A. 2002. Mutational equilibrium model of genome size evolution. Theor. Popul. Biol. 61: 531-544.

140. Petrov D.A., Sangster T.A., Johnston J.S., Hartl D.L., Shaw K.L. 2000. Evidence for DNA loss as a determinant of genome size. Science 287: 1060-1062.

141. Poirier M.G. M.G., Oh E., Tims H.S., Widom J. 2009. Dynamics and function of compact nucleosome arrays. Nat. Struct. Mol. Biol. 16: 938-944.

142. Poirier M.G., Bussiek M., Langowski J., Widom J. 2008. Spontaneous access to DNA target sites in folded chromatin fibers. J. Mol. Biol. 379: 772-786.

143. Ponger, L., Duret L., Mouchiroud D. 2001. Determinants of CpG islands: expression in early embryo and isochore structure. Genome Res. 11:1854 -1860.

144. Powers E.T., Balch W.E. 2008. Costly mistakes: translational infidelity and protein homeostasis. Cell 134: 204-206.

145. Prosperi E., Giangare M.C., Supino R., Bottiroli G. 1990. Flow cytometric evaluation of DNA digestion with micrococcal nuclease on isolated HeLa nuclei. J. Microsc. 159: 255-263.

146. Rangarajan A., Hong S.J., Gifford A., Weinberg R.A. 2004. Species- and cell type-specific requirements for cellular transformation. Cancer Cell 6: 171-183.

147. Rangarajan A., Weinberg R.A. 2003. Comparative biology of mouse versus human cells: modelling human cancer in mice. Nat. Rev. Cancer 3: 952-959.

148. Ranz J.M., Castillo-Davis C.I., Meiklejohn C.D., Hartl D.L. 2003. Sex-dependent gene expression and evolution of the Drosophila transcriptome. Science 300: 1742-1745.

149. Rao V., Nanjundiah V. 2010. J. B.S. Haldane, Ernst Mayr and the Beanbag Genetics Dispute. J. Hist. Biol. Epub ahead of print. PMID: 20665094.

150. Rasch E.M. 1985. DNA "standards" and the range of accurate DNA estimates by Feulgen absorption microspectrophotometry. In: Advances in Microscopy, Cowden RR, Harrison FW (eds). A. R. Liss, New York, pp. 137-166.

151. Read L.R., Raynard S.J., Ruksc A., Baker M.D. 2004. Gene repeat expansion and contraction by spontaneous intrachromosomal homologous recombination in mammalian cells. Nucleic Acids Res. 32: 1184-1196.

152. Ream R.A., Johns G.C., Somero G.N. 2003. Base compositions of genes encoding alpha-actin and lactate dehydrogenase-A from differently adapted vertebrates show no temperature-adaptive variation in G+C content. Mol. Biol. Evol. 20: 105-110.

153. Redi C.A., Garagna S., Zuccotti M., Capanna E. 2007. Genome size: a novel genomic signature in support of Afrotheria. J. Mol. Evol. 64: 484-748.

154. Rees H., Jones R.N. 1972. The origin of the wide species variation in nuclear DNA content. Int. Rev. Cytol. 32: 53-92.

155. Richter J.D., Sonenberg N. 2005. Regulation of cap-dependent translation by eIF4E inhibitory proteins. Nature 433: 477-480.

156. Robinson P.N., Böhme U., Lopez R., Mundlos S., Nürnberg P. 2004. Gene-Ontology analysis reveals association of tissue-specific 5' CpG-island genes with development and embryogenesis. Hum. Mol. Genet. 13: 1969-1978.

157. Roti Roti J.L., Wright W.D., Higashikubo R., Dethlefsen L.A. 1985. DNase I sensitivity of nuclear DNA measured by flow cytometry. Cytometry 6: 101-108.

158. Roy S.W., Fedorov A., Gilbert W. 2003. Large-scale comparison of intron positions in mammalian genes shows intron loss but no gain. Proc. Natl. Acad. Sei. USA 100: 7158-7162.

159. Rubidge B.S., Sidor C.A. 2001. Evolutionary patterns among Permo-Triassic therapsids. Ann. Rev. Ecol. Syst. 32: 449-480.

160. Russell P., Nurse P. 1986. Schizosaccharomyces pombe and Saccharomyccs cerevisiae: a look at yeasts divided. Cell AS: 781-782.

161. Ruta M., Coates M.I., Quicke D.L. 2003. Early tetrapod relationships revisited. Biol. Rev. Comb. Philos. Soc. 78: 251-345.

162. Saitta S.C., Harris S.E., Gaeth A.P., Driscoll D.A., McDonald-McGinn D.M.,

163. Maisenbacher M.K., Yersak J.M., Chakraborty P.K., Hacker A.M., Zackai E.H., Ashley T., Emanuel B.S. 2004. Aberrant interchromosomal exchanges are the predominant cause of the 22ql 1.2 deletion. Hum. Mol. Genet. 13: 417-428.

164. Salem A.H., Kilroy G.E., Watkins W.S., Jorde L.B., Batzer M.A. 2003. Recentlyintegrated Alu elements and human genomic diversity. Mol. Biol. Evol. 20: 1349-1361.

165. SantaLucia J Jr. 1998. A unified view of polymer, dumbbell, and oligonucleotide DNA nearest-neighbor thermodynamics. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 95: 1460-1465.

166. Sayers E.W., Barrett T., Benson D.A., Bolton E., Bryant S.H., Canese K., Chetvernin V., Church D.M., Dicuccio M., Federhen S., et al. 2010. Database resources of the National Center for Biotechnology Information. Nucleic Acids Res. 38: D5-D16.

167. Schug J., Schuller W.P., Kappen C., Salbaum J.M., Bucan M., Stoeckert C.J. Jr. 2005. Promoter features related to tissue specificity as measured by Shannon entropy. Genome Biol. 6: R33.

168. Secor S.M., Faulkner A.C. 2002 Effects of meal size, meal type, bodytemperature, and body size on the specific dynamic action of the marine toad, Bufo marius. Physiol. Biochem. Zool. 75: 557-571.

169. Sharp P.M., Averof M., Lloyd A.T., Matassi G., Peden J.F. 1995. DNA sequenceevolution: the sounds of silence. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 349: 241247.

170. Sharp P.M., Li W.H. 1987. The codon adaptation index a measure of directionalsynonymous codon usage bias, and its potential applications. Nucl. Acids Res. 15: 1281-1295.

171. Shpun S., Hoffman J., Katz U. 1992. Anuran amphibia which are not acclimable to high salt, tolerate high plasma urea. Comp. Biochem. Physiol. A 103: 473-477.

172. Shuter B.J., Thomas J.E., Taylor W.D., Zimmerman A.M. 1983. Phenotypic correlates of genomic DNA content in unicellular eukaryotes and other cells. Amer. Natur. 122: 2644.

173. Singh N.D., Petrov D.A. 2004. Rapid sequence turnover at an intergenic locus in Drosophila. Mol. Biol. Evol. 21: 670-680.

174. Smith A. 1776. The Wealth of Nations. Edinburgh.

175. Spencer H. 1891. Essays: Scientific, Political, and Speculative. Vol. 1. Williams and Norgate, London.

176. Storey J.D., Tibshirani R. 2003. Statistical significance for genomewide studies. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100: 9440-9445.

177. Subramanian A., Kuehn H., Gould J., Tamayo P., Mesirov J.P. 2007. GSEA-P: a desktop application for Gene Set Enrichment Analysis. Bioinformatics 23: 3251-3253.

178. Sueoka N., Kawanishi Y. 2000. DNA G+C content of the third codon position and codon usage biases of human genes. Gene 261: 53-62.

179. Sugimoto N., Nakano S., Katoh M., Matsumura A., Nakamuta PI., Ohmichi T., Yoneyama M., Sasaki M. 1995. Thermodynamic parameters to predict stability of RNA/DNA hybrid duplexes. Biochemistry 34: 11211-1216.

180. Suzuki Y., Yamashita R., Sugano S., Nakai K. 2004. DBTSS, DataBase of Transcriptional Start Sites: progress report 2004. Nucleic Acids Res. 32: D78-D81.

181. Szathmary E., Jordan F., Pal C. 2001. Can genes explain biological complexity? Science 292: 1315-1316.

182. Takhtajan A.L. 1980. Outline of the classification of flowering plants (Magnoliophyta). Botanical Reviews 46: 225-359.

183. Taylor C.R., Karas R.H., Weibel E.R., Hoppeler FI. 1987. Adaptive variation in themammalian respiratory system in relation to energetic demand. Respir. Physiol. 69: 1127.

184. Taylor C.R., Maloiy G.M., Weibel E.R., Langman V.A., Kamau J.M., Seeherman PI.J., Heglund N.C. 1981. Design of the mammalian respiratory system. Ill Scaling maximum aerobic capacity to body mass: wild and domestic mammals. Respir. Physiol. 44: 25-37.

185. Taylor C.R., Weibel E.R., Weber J.M., Vock R., Hoppeler H., Roberts T. J., Brichon G. 1996. Design of the oxygen and substrate pathways. I. Model and strategy to test symmorphosis in a network structure. J. Exp. Biol. 199: 1643-1649.

186. Thiery J.P., Macaya G., Bernardi G. 1976. An analysis of eucaryotic genomes by density gradient centrifugation. J. Mol. Biol. 108: 219-235.

187. Tiersch T.R., Chandler R.W., Wachtel S.S., Elias S. 1989. Reference standards for flow cytometry and application in comparative studies of nuclear DNA content. Cytometty 10: 706-710.

188. Turker M.S. 2002. Gene silencing in mammalian cells and the spread of DNA methylation. Oncogene 21: 5388-5393.

189. Urrutia A.O., Hurst L.D. 2003. The signature of selection mediated by expression on human genes. Genome Res. 13: 2260-2264.

190. Vallejos C.E., SakiyamaN. S., Chase C.D. 1992. A molecular marker-based linkage map of Phaseolus vulgaris L. Genetics 131: 733-740.

191. Van't Hof J., Sparrow A.H. 1963. A relationship between DNA content, nuclear volume and minimum mitotic cycle time. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 49: 897-902.

192. Venter J.C. et al. (274 authors). 2001. The sequence of the human genome. Science 291: 1304-1351.

193. Vermeij G.J. 1973. Morphological patterns of high intertidal gastropods: adaptive strategies and their limitations. Marine Biol. 20: 319-346.

194. Villeponteau B., Brawley J., Martinson H.G. 1992. Nucleosome spacing is compressed in active chromatin domains of chick erythroid cells. Biochemistry 31: 1554-1563.

195. Vinogradov A.E. 1994. Measurement by flow cytometry of genomic AT/GC ratio and genome size. Cytometry 16: 34-40.

196. Vinogradov A.E. 1995a. Nucleotypic effect in homeotherms: body mass-corrected basal metabolic rate of mammals is related to genome size. Evolution 49: 1249-1259.

197. Vinogradov A.E. 1995b. Cell membrane-dependent chromatin condensation. Cytometry 19: 183-188.

198. Vinogradov A.E. 1996. Post-fixation method of cell viability assessment with flow cytometry. Acta Histochemica et Cytochemica 29 (Suppl.): 527-528.

199. Vinogradov A.E. 1997. Nucleotypic effect in homeotherms: body mass-independent resting metabolic rate of passerine birds is related to genome size. Evolution 51: 220225.

200. Vinogradov A.E. 1998a. Genome size and GC-percent in vertebrates as determined by flow cytometry: the triangular relationship. Cytometry 31: 100-109.

201. Vinogradov A.E. 1998b. Variation in ligand-accessible genome size and itsecomorphological correlates in a pond snail. Hereditas 128: 59-65. <

202. Vinogradov A.E. 1998c. Buffering: a possible passive-homeostasis role for redundant DNA. J. Theor. Biol. 193: 197-199.

203. Vinogradov A.E. 1999a. Genome intoto. Genome 42: 361-362.

204. Vinogradov A.E. 1999b. Chromatin signal in genome size measurement. Cytometry 37: 243-245.

205. Vinogradov A.E. 1999c. Intron-genome size relationship on a large evolutionary scale. J. Mol. Evol. 49: 376-384.

206. Vinogradov A.E. 2000. Larger genomes for molluskan land pioneers. Genome 43: 211212. ' i

207. Vinogradov A.E. 2001a. Mirrored genome size distributions in monocot and dicot plants. Acta Biotheoretica 49: 43-51.

208. Vinogradov A.E. 2001b. Intron length and codon usage. J. Mol. Evol. 52: 2-5.

209. Vinogradov A.E. 2001c. Within-intron correlation with base composition of adjacent exons in different genomes. Gene 276: 143-151.

210. Vinogradov A.E. 200 Id. Bendablc genes of warm-blooded vertebrates. Mol. Biol. Evol. 18:2195-2200.

211. Vinogradov A.E. 2002. Growth and decline of introns. Trends Genet. 18: 232-236.

212. Vinogradov A.E. 2003a. Selfish DNA :s maladaptive: evidence from the plant Red List. Trends Genet. 19: 609-614.

213. Vinogradov A.E. 2003b. DNA helix: the importance of being GC-rich. Nucleic Acids Res. 31: 1838-1844.

214. Vinogradov A.E. 2003c. Isochores and tissue-specificity. Nucleic Acids Res. 31: 52125220.

215. Vinogradov A.E. 2003d. Silent DNA: speaking RNA language? Bioinformatics 9: 21672170.

216. Vinogradov A.E. 2004a. Testing genome complexity. Science 304: 389-390.

217. Vinogradov A.E. 2004b. Genome size and extinction risk in vertebrates. Proc. Roy. Soc. B 111: 1701-1705.

218. Vinogradov A.E. 2004c. Evolution of genome size: multi-level selection, mutation bias or dynamical chaos? Curr. Opin. Genet. Devel. 14: 620-626.

219. Vinogradov A.E. 2004d. Compactness of human housekeeping genes: selection for economy or genomic design? Trends Genet. 20: 248-253.

220. Vinogradov A.E. 2005a. Genome size and chromatin condensation in vertebrates. Chromosoma 113: 362-369.

221. Vinogradov A.E. 2005b. Noncoding DNA, isochores and gene expression: nucleosome formation potential. Nucleic Acids Res. 33: 559-563.

222. Vinogradov A.E. 2005c. Dualism of gene GC content and CpG pattern in regard to expression in the human genome: magnitude versus breadth. Trends Genet. 21: 639643.

223. Vinogradov A.E. 2006a. "Genome design" model: evidence from conserved inlronic sequence in human-mouse comparison. Genome Res. 16: 347-354.

224. Vinogradov A.E. 2006b. 'Genome design' model and multicellular complexity: golden middle. Nucleic Acids Res. 34: 5906-5914.

225. Vinogradov A.E. 2010. Systemic factors dominate mammal protein evolution. Proc. Roy. Soc. B 211: 1403-1408.

226. Vinogradov A.E., Anatskaya O.V. 2006. Genome size and metabolic intensity in tetrapods: a tale of two lines. Proc. Roy. Soc. B 273: 27-32.

227. Vinogradov A.E., Anatskaya O.V. 2007. Organismal complexity, cell differentiation and gene expression: human over mouse. Nucleic Acids Res. 35: 6350-6356.

228. Wakaguri H., Yamashita R., Suzuki Y., Sugano S., Nakai K. 2008. DBTSS: database oftranscription start sites, progress report 2008. Nucleic Acids Res. 36: D97-D101.

229. Wakamiya I., Price H.J., Messina M.G., Newton R.J. 1996. Pine genome size diversity and water relations. Physiol. Plantarum 96: 13-20.

230. Walsberg G.E, LeaM.S, Hillman S.S. 1986. Individual variation in maximum aerobic capacity: cardiovascular and enzymatic correlates in Rana catesbeiana. J. Exp. Zool. 239: 1-5.

231. Waterston R.H., Lindblad-Toh K., Birney E., Rogers J., Abril J.F., Agarwal P., Agarwala R., Ainscough R., Alexandersson M., An P. et al. 2002. Initial sequencing and comparative analysis of the mouse genome. Nature 420: 520-562.

232. Weibel E.R. 2000. Symmorphosis. Harvard University Press, Boston.

233. Weibel E.R., Taylor C.R., Gehr P., Hoppeler H„ Mathieu O., Maloiy G.M. 1981. Design of the mammalian respiratory system. IX. Functional and structural limits for oxygen flow. Respir. Physiol. 44: 151-164.

234. Weibel E.R., Taylor C.R., Hoppeler H. 1991. The concept of symmorphosis: a testable hypothesis of structure-function relationship. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88: 1035710361.

235. Weibel E.R., Taylor C.R., Hoppeler IT. 1992. Variations in function and design: testing symmorphosis in the respiratory system. Respir. Physiol. 87: 325-348.

236. Wernersson R., Pedersen A.G. 2003. RevTrans: Multiple alignment of coding DNA from aligned amino acid sequences. Nucleic Acids Res. 31: 3537-3539.

237. Widlund H.R., Cao H., Simonsson S., Magnusson E., Simonsson T., Nielsen P.E., Kahn J.D., Crothers D.M., Kubista M. 1997. Identification and characterization of genomic nucleosome-positioning sequences. J. Mol. Biol. 267: 807-817.

238. Wilkins A.S. 2007. For the biotechnology industry, the penny drops (at last): genes are not autonomous agents but function within networks! Bioessays 29: 1179-1181.

239. Wolf Y.I. 2006. Coping with the quantitative genomics "elephant": The correlation between the gene dispensability and evolution rate. Trends Genet. 22: 354-357.

240. Wolfe K., Sharp, P.M., Li W.H. 1989. Mutation rates differ among regions of the mammalian genome. Nature 337: 441-456.

241. Wolfe K.H. 2001. Yesterday's polyploids and the mystery of diploidization. Nat. Rev. Genet. 2: 333-341.

242. Wright F. 1990. The effective number of codons used in a gene. Gene 87: 23-29.

243. Wunderlich Z., Mirny L.A. 2009. Different gene regulation strategies revealed by analysis of binding motifs. Trends Genet. 25: 434-440.

244. Xia X. 1996. Maximizing transcription efficiency causes codon usage bias: Genetics 144: 1309-1320.

245. Yamashita R., Suzuki Y., Sugano S., Nakai K. 2005. Genome-wide analysis reveals strong correlation between CpG islands with nearby transcription start sites of genes and their tissue specificity. Gene 350: 129-136.

246. Yanai I., Graur D., Ophir R. 2004. Incongruent expression profiles between human and mouse orthologous genes suggest widespread neutral evolution of transcription control. OMICS 8: 15-24.

247. Yang J., Su A.I., Li W.H. 2005. Gene expression evolves faster in narrowly than in broadly expressed mammalian genes. Mol. Biol. Evol. 22: 2113-2118.

248. Yang Z. 2007. PAML 4: a program package for phylogenetic analysis likelihood. Mol. Biol. Evol. 24: 1586-1591.

249. Yates P.A., Burman R., Simpson J., Ponomoreva O.N., Thayer M.J., Turker M.S. 2003. Silencing of mouse Aprt is a gradual process in differentiated cells. Mol. Cell Biol. 23: 4461-4470.

250. Zhong Z., Wilson K.L., Dahl K.N. 2010. Beyond lamins other structural components of the nucleoskeleton. Methods Cell Biol. 98: 97-119. '

251. Zuckerkandl E., Hennig W. 1995. Tracking heterochromatin. Chromosoma 104: 75-83.