Структура, эволюция и филогенетическое значение сателлитной ДНК на примере ящериц родов Darevskia и Lacerta s.str.: Sauria: Lacertidae тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.03, кандидат биологических наук Чобану, Дойна Григорьевна

• Чобану, Дойна Григорьевна
• кандидат биологических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Чобану, Дойна Григорьевна

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Повторы эукариот и сателлитная ДНК (сатДНК)

1.2. Структура сатДНК

1.3. Роль сатДНК в геноме эукариот

1.3.1. Особенности структуры сатДНК и их функциональное значение

1.4. Эволюция сатДНК

1.4.1. Модели эволюции повторов

1.4.2. Молекулярные механизмы эволюции сатДНК

1.4.3. Эволюционная динамика сатДНК

1.5. Молекулярные маркеры в филогенетических исследованиях

1.5.1. Филогенетическое значение сатДНК

1.6. Сетчатая эволюция. Ее значение для видообразования в животном царстве

4 1.6.1. Сетчатое видообразование у позвоночных

1.6.2. Исследования сетчатого видообразования у пресмыкающихся

1.7. Систематика сем. Lacertidae

1.7.1.Филогеография и филогения семейства Lacertidae

1.7.2. Происхождение и филогения группы видов «комплекса L. agilis» = род Lacerta s. str., Linneus,

1.7.3. Происхождение и филогения Кавказких скальных ящериц рода Darevskia, Arribas 1999 = «комплекс Lacerta saxicola», (Lacertidae)

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Биологический материал.

2.2. Выделение геномной ДНК.

2.3. Клонирование мономеров сатДНК в плазмидном векторе.

2.4. Секвенирование.

2.5. Гибридизация геномной ДНК с зондами сатДНК.

2.6. Компьютерная обработка данных. 47 * 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

3.1 СатДНК ящериц рода DAREVSKIA, Arribas 1999 (Sauria: Lacertidae)

3.1.1. Характеристика семейства CLsat сатДНК

3.1.2. Организация повторяющейся единицы CLsat: внутренняя структура и консервативные элементы нуклеотидной последовательности

3.1.3. Молекулярные механизмы, участвующие в эволюции семейства CLsat

3.1.4. Сравнительный анализ вариабельности нуклеотидной последовательности мономеров четырех подсемейств CLsat и скорость их эволюции.

3.1.5. Организация семейства повторов CLsat

3.1.5.1. Динамика видоизменения организации повторов семейства CLsat

3.1.5.2. Динамика количественного распределения трех подсемейств CLsat у видов рода Darevskia

3.1.6. Корреляция филогении сатДНК CLsat и филогении видов Darevskia.

3.1.7. Сетчатая эволюция партеногенетических видов рода Darevskia на примере CLsat-ДНК

3.2. СатДНК видов «комплекса L. AGILIS»= LACERTA S. STR, Linneaus

1758 (Sauria: Lacertidae)

3.2.1. Характеристика Agi 160 семейства сатДНК

3.2.2. Вариабельность и организация Agi 160 последовательностей

3.2.3. Анализ структуры семейства повторов Agi 160 сатДНК с помощью гибридизаци

3.3. Сравнительный анализ сатДНК ящериц двух родов семейства Lacertidae 106 3.3.1. Сравнение повторов CLsat и Agil60 и вероятный путь происхождения сатДНК ящериц родов Darevskia и Lacerta s. str.

3.4. Филогенетическое значение сатДНК для семейства Lacertidae 114 ВЫВОДЫ 117 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура, эволюция и филогенетическое значение сателлитной ДНК на примере ящериц родов Darevskia и Lacerta s.str.: Sauria: Lacertidae»

За время, прошедшее с момента открытия повторяющихся регионов ДНК, накопилась огромная литература, посвященная изучению их структуры и свойства в разных таксонах, однако интерес к проблеме в последние годы только возрастает (1-3 Kidwell, 2002; Boot-Handford, Tuckwell, 2003; Korochkin, Ryskov, 2003). Стало очевидным, что повторяемость участков генома есть общее и значимое явление, в той или иной степени свойственное многим структурным, кодирующим белки, генам и генам рибосомных и транспортных РНК (4-6 Sidow, 1996; Gogarten, Olendzenski, 1999; Taylor et al., 2001). Это явление играет важную роль в эволюции функциональных возможностей эукариот и, тем самым, в развитии их адаптивного потенциала (1,6-8 Wajcman, Kiger, 2002; Pires-daSilva, Sommer, 2003).

Однако наиболее поразительный и до сих пор неразгаданный феномен, характеризующий геномную ДНК, - это наличие в ней некодирующих повторяющихся участков, разнообразие которых по последовательности, размерам и локализации поистине неисчерпаемо, а функция остается непонятой и прямо не доказанной (9 Гречко, 2002). К повторам такого рода относят так называемые сателлитные ДНК (сатДНК), открытые в виде дополнительных пиков при изучении плавучей плотности ДНК в градиенте солей цезия (10 Sueoka,Cheng, 1961; Kit, 1961). Сейчас этот термин используется для всех высокоповторяющихся тандемных повторов, независимо от их плавучей плотности (11,12 Charlesworth, 1994; Ugarkovic, Plohl,

2002). Эти фракции содержат непрерывные ряды (тандемные кластеры) одинаковых или сходных по структуре мономерных единиц размером от нескольких единиц до тысяч нуклео-тидов, число которых в ряду может достигать сотен тысяч (9,11 - 13 Beridze, 1986). К повторам относят также рассеяные по геному в виде единичных копий участки ДНК (SINE, LINE, транспозоны) значение и функция которых также активно обсуждается (14 Shedlock, Okada, 2000).

Эволюционная направленность и функциональная значимость тандемных повторов ДНК интенсивно изучаются, в частности, у беспозвоночных и млекопитающих, но в гораздо меньшей степени у других таксонов. При этом, данные об эволюции и структуре повторяющейся ДНК у столь широкого класса позвоночных как рептилии представлены весьма небольшим числом работ (16 Capriglione, 2000). В основном, это работы по исследованию диспергированных повторов у змей, черепах, тандемных повторов саламандр и сатДНК лацер-тидных ящериц (16, 15, 17 обзор Capriglione, 2000; Гречко и соавт., 1998; Ciobanu et al.,

2003). В частности группой Гречко В.В. был предпринят таксонопринтный анализ повторяющейся ДНК нескольких родов сем. Lacertidae (15 Гречко и соавт., 1998). Полученные авторами результаты одними из первых указали на филогенетическую значимость повторяющейся ДНК для этого семейства животных и стали основой для дальнейшего изучения эволюции и структуры сатДНК лацертид.

В диссертационной работе эти представления развиты и продолжены при исследовании структуры и эволюции сатДНК практически всех видов p. Darevskia. Комплексный анализ результатов позволил подойти к важным, на наш взгляд, выводам о корреляции молекулярной и морфологической эволюции на видовом и родовом уровне конкретного и весьма слабо изученного таксона позвоночных.

В настоящем обзоре основное внимание уделено рассмотрению литературы, посвященной изучению структурных свойств и возможных путей молекулярной эволюции тандемных повторов ДНК животных, поскольку полученные нами экспериментальные данные и их анализ являются частью этой проблемы. Исследованные в этой работе сатДНК рептилий отр. Sauna, сем. Lacertidae, открыты в нашей лаборатории (15 Гречко и соавт., 1998) и до сих пор с этих позиций не изучались. Таким образом, представляет особый интерес сопоставить наши выводы с имеющимися данными по другим таксонам эукариот.

Мы уделяем внимание также литературе посвященной изучению возникновения и эволюции однополых популяций, зачастую претерпевющих сетчатый путь развития. Для нас эта проблема представляет интерес отчасти потому, что среди двуполых видов p. Darevskia были обнаружены семь партеногенетических (однополых) видов, предположительно возникших в результате гибридизации некоторых двуполых этого рода (см. обзор в статье 18 Чобану и соавт., 2002). Полученные в данной работе результаты могут рассматриваться в пользу гипотезы о гибридогенном происхождении этих партеновидов.

Кроме этой литературы, рассмотрены работы, затрагивающие проблему значения использования сатДНК в качестве молекулярных маркеров общей эволюции и видообразования у эукариот, поскольку наши данные, на наш взгляд, вносят существенный вклад в ее рассмотрение. Возможность использования сатДНК в качестве молекулярного маркера для изучения филогенетического родства близкородственных видов стала очевидной по мере накопления данных, свидетельствующих о том, что темпы эволюции повторяющейся ДНК пропорциональны темпам дивергенции видов (16, 9 Capriglione, 2000; Гречко, 2002). В связи с этим представлена краткая характеристика исследуемых нами таксонов сем. Lacertidae -ящериц p. Darevskia и Lacerta s. str., что необходимо для понимания приводимого нами сопоставления морфологической и молекулярной филогении этой группы животных.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Заключение диссертации по теме «Молекулярная биология», Чобану, Дойна Григорьевна

ВЫВОДЫ:

1. Определены последовательности около 270-ти мономеров семейства тандемных повторов CLsat, специфичных для всех видов ящериц рода Darevskia (сем. Lacertidae), и степень их вариабельности. По ряду диагностических позиций нами выделено, как минимум, четыре подсемейства CLsat, три из которых присутствуют у большинства видов рода. Степень различий между ними достигает 25%.

2. Каждый из видов рода Darevskia обладает тем или иным подсемейством (или их сочетанием) в разных количествах, в то время как в других родах лацертидах разной степени родства (Lacerta s. str., Podarcis, Zootoca, Eremias, Ophisops, Gallotia) этот сателлит методом гибридизации не выявляется.

3. Сравнительный анализ внутри- и межвидовой вариабельности повторов в пределах одного подсемейства коррелирует со степенью родства видов Darevskia, обнаруживая ви-доспецифичный паттерн эволюции для <осороших» видов. Характер видоизменения структур и мутационной изменчивости мономеров подсемейств CLsat свидетельствует в пользу представлений о «концертной» эволюции повторов.

4. На основании сравнения видовых консенсусов последовательностей мономеров предложены филогенетические деревья исследуемого рода. Кластеризация видов по свойствам CLsat, в основном, соответствует кластеризации, намечаемой по морфологическим признакам, но в некоторых случаях не соответствует им. На основании комплексного анализа молекулярной структуры и количественного распределения подсемейств CLsat между разными видами, предложена гипотеза видообразования в роде Darevskia.

5. Детальное сравнение структуры, содержания и сходства мономеров подсемейств CLsat в двуполых и однополых видах Darevskia подтверждает гипотезу о происхождении партеновидов в результате межвидовой гибридизации двуполых видов. Определен круг современных видов, предшественники которых могли участвовать в этом процессе.

6. Определены последовательности мономеров ортологичного CLsat семейства тандемных повторов Agi 160, специфичного для рот. Lacerta s. str. Этот повтор обнаружен в четырех видах этого рода (L. agilis, L. strigata, L. viridis, L. media) методом гибридизации. У других видов сем. Lacertidae он не обнаружен. Степень различия интенсивности гибридизации позволяет сделать вывод, что наибольшим родством обладают L. agilis и L. strigata, более отдален от них L. viridis и еще более — L. media, что соответствует представлениям систематиков.

7. Ряд консервативных признаков CLsat и Agi 160 свидетельствует об их монофилетиче-ском происхождении. На основании обнаруженного сходства предложены пути эволюции этих двух семейств сателлитной ДНК. Вместе с тем, степень дивергенции CLsat и Agi 160 существенно больше, чем степень расхождения между повторами CLsat, что соответствует родовому статусу Darevskia и Lacerta s. str., еще недавно объединявшихся в один род Lacerta.

8. Комплекс представленных данных свидетельствует о том, что свойства и распределение тандемных повторов взаимосвязаны с филогенией и видообразованием и что сами они являются важными и информативными молекулярными маркерами эволюции биологических видов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Чобану, Дойна Григорьевна, 2003 год

1. Kidwell MG. Transposable elements and the evolution of genome size in eukaryotes. Ge-netica. 2002, 115(l):49-63. Review.

2. Boot-Handford RP, Tuckwell DS. Fibrillar collagen: the key to vertebrate evolution? A tale of molecular incest. Bioessays. 2003,25(2):142-151. Review.

3. Korochkin LI, Ryskov AP. Was August Weismann right?. Genetika. 2003,39(2): 15763. [Article in Russian] Review.

4. Sidow A. Gen(om)e duplications in the evolution of early vertebrates. Current Opinion in Genetics & Development 1996, 6:715-722. Review.

5. Gogarten JP, Olendzenski L. Orthologs, paralogs and genome comparisons. Current Opinion in Genetics & Development. 1999, 9:630-636 Review.

6. Taylor JS, Van de Peer Y, MeyerA. Genome duplication, divergent resolution and speci-ation. TRENDS in Genetics 2001, 17 (6):

7. Wajcman H, Kiger L. Hemoglobin, from microorganisms to man: a single structural motif, multiple functions. С R Biol. 2002,325(12):1159-74. Review.

8. Pires-daSilva A, Sommer RJ. The evolution of signalling pathways in animal development. Nat Rev Genet. 2003,4(l):39-49. Review.

9. Гречко ВВ. Молекулярные маркеры ДНК в изучении филогении и систематики. Генетика. 2002, 38(8): 1-20. Review.

10. Sueoka, Cheng, 1961; Kit, 1961

11. Charlesworth В, Sniegowski P, Stephan W. The evolutionary dynamics of repetitive DNA in eukaryotes. Nature. 1994, 371(6494): 215-20. Review.

12. Ugarkovic D, Plohl M. Variation in satellite DNA profiles causes and effects. EMBO J. 2002,21(22): 5955-9. Review.

13. Beridze T. Satellite DNA. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokio, 1986.

14. Shedlock AM, Okada N. SINE insertions: powerful tools for molecular systematics. Bio-essays. 2000, 22(2): 148-60. Review.

15. Capriglione Т. Repetitive DNA as a tool to study the phylogeny of cold-blooded vertebrates. Chromos. Today. 2000, 13: 183-194. Review.

16. Ciobanu D, Grechko W, Darevsky IS, Kramerov DA. New satellite DNA in Lacerta s. str. lizards (Sauria: Lacertidae): evolutionary pathways and phylogenetic impact. Gene. 2003. представлено в печать.

17. Чобану Д, Рудых ИА, Рябинина HJI, Гречко ВВ, Крамеров ДА, Даревский ИС. Сетчатая эволюция партеновидов скальных ящериц сем. Lacertidae: наследование тандемного повтора CLsat и анонимных маркеров метода RAPD (РАПИД). Мол. Биол. 2002, 36(2): 296-306.

18. Elder JF Jr, Turner BJ. Concerted evolution of repetitive DNA sequences in eukaryotes. Q Rev Biol. 1995 Sep; 70(3):297-320. Review.

19. Schmid, C.W. Does SINE evolution preclude Alu function? Nucleic Acids Res. 1998, 26(20):4541-50. Review.

20. Schlotterer C. Evolutionary dynamics of microsatellite DNA. Chromosoma. 2000, 109(6):365-71.

21. Weissenbach J. A second generation linkage map of the human genome based on highly informative microsatellite loci. Gene. 1993, 135(l-2):275-8.

22. Fanning TG. Origin and evolution of a major feline satellite DNA. J. Mol. Biol. 1987, 197: 627-634.

23. Fanning TG, Modi WS, Wayne RK, O'Brien SJ. Evolution of heterochromatin-associated satellite DNA loci in felids and canids (Carnivora). Cytogenet Cell Genet. 1988; 48(4):214-9.

24. Fanning TG. Molecular evolution of centromere-associated nucleotide sequences in two species of canids. Gene. 1989 Dec 28; 85(2):559-63.

25. Di Rienzo A, Peterson AC, Garza JC, Valdes AM, Slatkin M, Freimer NB. Mutational processes of simple-sequence repeat loci in human populations. Proc Natl Acad Sci USA. 1994,91(8): 3166-70.

26. Richard GF, Paques F. Mini- and microsatellite expansions: the recombination connection. EMBO Rep. 2000, 1(2): 122-126.

27. Wevrick R, Willard HF. Long-range organization of tandem arrays of alpha satellite DNA at the centromeres of human chromosomes: high-frequency array-length polymorphism and meiotic stability. Proc Natl Acad Sci USA. 1989, 86(23): 9394-8.

28. Willard HF, Wevrick R, Warburton PE. Human centromere structure: organization and potential role of alpha satellite DNA. Prog Clin Biol Res. 1989,318: 9-18. Review.

29. Malik HS, Henikoff S. Conflict begets complexity: the evolution of centromeres. Сип-Орт Genet Dev. 2002, 12(6): 711-8. Review.

30. Tyler-Smith C, Willard HF. Mammalian chromosome structure. Curr Opin Genet Dev. 1993, 3(3): 390-7. Review.

31. Yamada K, Nishida-Umehara C, Matsuda Y. Characterization and chromosomal distribution of novel satellite DNA sequences of the lesser rhea (Pterocnemia pennata) and the greater rhea {Rhea americana). Chromosome Res. 2002; 10(6): 513-23.

32. Miklos GLG. Localized highly repetitive DNA sequences in vertebrate and invertebrate genomes in: Molecular Evolutionary Genetics (ed. Maclntyre RJ) Plenum Press. New York. 1985,241-322.

33. Jobse C, Buntjer JB, Haagsma N, Breukelman HJ, Beintema JJ, Lenstra JA. Evolution and recombination of bovine DNA repeats. J Mol Evol. 1995,41(3): 277-83.

34. Markova NG, Markov GG. Complex organization of a cryptic satellite DNA in the genome of the marine invertebrate Rapana thomasiana Grosse (Gastropoda). Biochim Bio-phys Acta. 1983, 741(1): 7-14.

35. Borovkov AY, McClean PE. A tandemly repeated sequence from the Plasmopara halste-dii genome. Gene. 1993,124(1): 127-130.

36. Olmo E. Genome variations in the transition from amphibians to reptiles. J. Mol.Evol. 1991. 33,68-75.

37. Olmo E, Odierna G, Capriglione T. Genome evolution in reptiles. Symposium on the evolution of terrestrial vertebrates. G. Ghiara et al. (eds). Selected symposia and Monographs U.Z.I., Mucchi, Modena, 1991,4: 255-267.

38. Levinson G, Gutman GA. Slipped-strand mispairing: a major mechanism for DNA sequence evolution. Mol Biol Evol. 1987,4(3):203-221.

39. Stephan W, Cho S. Possible role of natural selection in the formation of tandem-repetitive noncoding DNA.Genetics. 1994,136(1): 333-41.

40. Plohl M, Mestrovic N, Bruvo B, Ugarkovic D. Similarity of structural features and evolution of satellite DNAs from palorus subdepressus (Coleoptera) and related species. J Mol Evol. 1998,46(2): 234-9.

41. Ugarkovic DL, Plohl M, Lucijanic-Justic V, Borstnik B. Detection of satellite DNA in Palorus ratzeburgii: analysis of curvature profiles and comparison with Tenebrio molitor satellite DNA. Biochimie 1992, 74(12): 1075-82.

42. Kapitonov W, Holmquist GP, and Jurka J. LI repeat is a basic unit of heterochromatin satellites in cetaceans. Mol. Biol. Evol. 1998,15: 611-612.

43. McAllister BF, Werren JH. Evolution of tandemly repeated sequences: what happens at the end of an array? J. Mol. Evol. 1999,48: 469-481.

44. Wilke K, Jung M, Chen Y, Geldermann H. Porcine (GT)n sequences: structure and association with dispersed and tandem repeats. Genomics. 1994,21: 63-70.

45. Zhang H, Nasuda S, Endo TR. Identification of AFLP markers on the satellite region of chromosome IBS in wheat. Genome. 2000, 43(5):729-735.

46. Lakrua ME, Oparina NIu, Mashkova TD. Segment duplications in the human genome. Mol Biol (Mosk). 2003, 37(2): 212-220. Review.

47. Ivanov SV, Modi WS. Molecular characterization of the complex sex-chromosome het-erochromatin in the rodent Microtus chrotorrhinus. Cytogenet Cell Genet. 1996,75(1): 4956.

48. Cohen AK, Huh TY, Helleiner CW. Transcription of satellite DNA in mouse L-cells. Can J Biochem. 1973,51(5): 529-532. No abstract available.

49. Varley JM, Macgregor HC, Erba HP. Satellite DNA is transcribed on lampbrush chromosomes. Nature. 1980,283(5748): 686-688.

50. Sealy L, Hartley J, Donelson J, Chalkley R, Hutchison N, Hamkalo B. Characterization of a highly repetitive sequence DNA family in rat. J Mol Biol. 1981,145(2): 291-318.

51. Gondo Y, Okada T, Matsuyama N, Saitoh Y, Yanagisawa Y, Ikeda JE. Human megasatellite DNA RS447: copy-number polymorphisms and interspecies conservation. Genomics. 1998,54(1): 39-49.

52. Saitoh K, Ueda T, Arai R, Wu HL, Jeon SR. Highly repetitive elements from Chinese bitterlings (genus Rhodeus, Cyprinidae). Genes Genet Syst. 2000, 75(6): 349-355.

53. Rojas AA, Vazquez-Tello A, Ferbeyre G, Venanzetti F, Bachmann L, Paquin B, Sbordoni V, Cedergren R. Hammerhead-mediated processing of satellite pDo500 family transcripts from Dolichopoda cave crickets. Nucleic Acids Res. 2000,28(20): 4037-4043.

54. Epstein LM, Gall JG. Self-cleaving transcripts of satellite DNA from the newt.Cell. 1987, 48(3): 535-543.

55. Denti MA, Martinez de Alba AE, Sagesser R, Tsagris M, Tabler M. A novel RNA-binding protein from Triturus carnifex identified by RNA-ligand screening with the newt hammerhead ribozyme. Nucleic Acids Res. 2000,28(5): 1045-1052.

56. Ferbeyre G, Smith JM. and Cedergren R. Schistosome satellite DNA encodes active hammerhead ribozymes. Mol Cell Biol. 1998, 18(7): 3880-3888.

57. Rouleux-Bonnin F, Renault S, Bigot Y, Periquet G. Transcription of four satellite DNA subfamilies in Diprion pini (Hymenoptera, Symphyta, Diprionidae). Eur J Biochem. 1996, 238(3): 752-759.

58. Luzi E, Eckstein F. and Barsacchi G. The newt ribozyme is part of a riboprotein com-plex.Proc Natl Acad Sci USA. 1997,94(18): 9711-9716.

59. Yunis JJ, Yasmineh WG. Heterochromatin, satellite DNA, and cell function. Structural DNA of eucaryotes may support and protect genes and aid in speciation. Science. 1971, 174(15): 1200-1209. Review.

60. Brutlag D, Appels R, Dennis ES, Peacock WJ. Highly repeated DNA in Drosophila melanogaster. J Mol Biol. 1977,112(1): 31-47.

61. Corneo G. Satellite DNAs in eukaryotes: a non-adaptive mechanism of speciation which originated with sexual reproduction? Experientia. 1978, 34(9): 1141-1142.

62. Miklos GL, Nankivell RN. Telomeric satellite DNA functions in regulating recombination. Chromosoma. 1976,56(2): 143-167.

63. John B, Miklos GL. Functional aspects of satellite DNA and heterochromatin. Int Rev Cy-tol. 1979,58: 1-114. Review.

64. Miklos GL, John B. Heterochromatin and satellite DNA in man: properties and prospects. Am J Hum Genet. 1979, 31(3): 264-280. Review.

65. Bostock CJ, Clark EM. Satellite DNA in large marker chromosomes of methotrexate-resistant mouse cells. Cell. 1980,19(3): 709-715.

66. Torok T, Gorjanacz M, Bryant PJ, Kiss I. Prod is a novel DNA-binding protein that binds to the 1.686 g/cm310 bp satellite repeat of Drosophila melanogaster Nucleic Acids Research, 2000,28(18): 3551-3557.

67. Straka C, Horz W. A functional role for nucleosomes in the repression of a yeast promoter. The EMBO Journal. 1991, 10: 361-368.67.