Действие стабилизирующего отбора на паралоги у Drosophila

Действие стабилизирующего отбора на паралоги у Drosophila
melanogaster: эффект сцепления.
Попов В.С.
биологический
факультет МГУ
galiantus@gmail.com
Попова Н.В.
ФББ МГУ
nina.tolmacheva@
gmail.com
Аннотация
При сравнении пар паралогов, локализующихся в
одной аутосоме, с парами паралогов, локализующимися
в разных аутосомах было обнаружено, что паралоги,
находящиеся в одной аутосоме, в меньшей степени
подвержены
отрицательному
отбору.
Этот
результат позволяет рассматривать сцепление
паралогов
в
качестве
важного
фактора,
определяющего эволюцию дуплицированных генов.
1. Введение
Дупликация генов рассматривается в качестве
основного механизма возникновения новых функций в
эволюции [1]. Сравнительные исследования эволюции
паралогов показывают, что, в большинстве случаев, обе
функционально полноценные копии находятся под
давлением стабилизирующего отбора [2]. При
полногеномном анализе паралогов обнаружено, что не
все дуплицированные гены подвержены действию
стабилизирующего отбора в равной степени [3].
Ослабление действия стабилизирующего отбора
связывают с хромосомной локализацией паралогов [4].
На примере D. melanogaster было показано, что отбор
действует
менее
эффективно
на
паралоги,
расположенные в Х-хромосоме, чем в среднем по
геному
[5].
При
исследовании
паралогов,
локализованных в одной аутосоме, разницу в давлении
отбора рассматривают как следствие рекомбинации [4]
(эффект Хилла-Робертсона [6]).
Мы предположили, что общий пул паралогов
внутри генома будет распадаться на две группы –
паралоги, локализующиеся в одной хромосоме
(сцепленные), и паралоги, локализующиеся в разных
хромосомах. Сцепленные паралоги находятся под
сравнительно меньшим давлением стабилизирующего
отбора в силу эффекта рекомбинации.
2. Методика
283
Для пилотного проекта были случайным образом
отобраны по 15 пар сцепленных и несцепленных
паралогов D. melanogaster, локализованных в
аутосомах. Паралоги определяли с помощью
программы Blastp[7], используя аминокислотные
последовательности из базы UniProt/Swissprot. Для
дальнейшего анализа брали те пары паралогов, которые
по результатам Blastp взаимно определялись в качестве
лучшего результата (bbh). В качестве контроля мы
проверяли принадлежность данной пары к одному
семейству паралогов, используя данные базы Ensembl.
Силу действия отрицательного отбора определяли
по показателю dN/dS, который считали с помощью
программы pal2nal [8].
3. Результаты
dN/dS для сцепленных паралогов был достоверно
выше, чем для несцепленных (0,1205±0,113 против
0,0227±0,0356 соответственно, Mann-Whitney U-test,
Z=2,799; p-level = 0,005 (двусторонний)). Отметим, что
сравнение
стандартного
отклонения
dN/dS
свидетельствует о том, что группа сцепленных
паралогов менее однородна, чем группа несцепленных,
что, косвенно, тоже подтверждает зависимость
давления
отрицательного
отбора
от
взаиморасположения сцепленных паралогов (поскольку
последнее определяет вероятность рекомбинации).
Выбранные случайным образом для проекта гены
относились к семействам паралогов, размер которых
составлял от 2 до 22 (данные из базы Ensembl).
Несмотря на то, что, в целом по выборке, dN/dS
обнаруживал слабую отрицательную связь с размером
семейства паралогов (множественная регрессия, р-level
= 0,0026), для несцепленных паралогов эта зависимость
была достоверно сильнее, чем для сцепленных (анализ
остатков, t-test, t = 3,34, p-level = 0,002). Несцепленные
паралоги из больших семейств испытывают более
сильное давление отбора, чем несцепленные паралоги
из маленьких семейств генов, для сцепленных
паралогов эта зависимость существенно слабее.
4. Выводы
Таким
образом,
показано,
что
давление
стабилизирующего отбора на сцепленные паралоги
слабее, чем на несцепленные. Это означает, что
образование групп сцепленных паралогов заслуживает
отдельного рассмотрения в рамках проблемы
эволюционного эффекта дупликации генов.
Список литературы
[1] Fyodor A. Kondrashov. Gene duplication as a
mechanism of genomic adaptation to a changing
environment. Proc Biol Sci. 2012 Dec 22;279(1749):504857.
[2] Fyodor A Kondrashov, Igor B Rogozin, Yuri I Wolf
and Eugene V Koonin. Selection in the evolution of gene
duplications. Genome Biology 2002, 3(2)
[3] Kevin Thornton, Manyuan Long. Rapid Divergence of
Gene Duplicates on the Drosophila melanogaster
X Chromosome. Mol Biol Evol. 2002 Jun;19(6):918-25.
[4] Ze Zhang and Hirohisa Kishino. Genomic Background
Drives the Divergence of Duplicated Amylase
Genes at Synonymous Sites in Drosophila. Mol Biol
Evol. 2004 Feb;21(2):222-7.
[5] Kevin Thornton and Manyuan Long. Excess of Amino
Acid Substitutions Relative to Polymorphism Between
X-Linked Duplications in Drosophila melanogaster. Mol
Biol Evol. 2005 Feb;22(2):273-84
[6] Hill, W. G., and A. Robertson, 1966 The effect of
linkage on limits to artificial selection. Genetical Research
(1966) 8: 269–294.
[7] http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/
[8] Suyama M, Torrents D, Bork P. PAL2NAL: robust
conversion of protein sequence alignments into the
corresponding codon alignments. Nucleic Acids Res. 2006
Jul 1;34 W609-W612
284