Теория и биоинформатика

            Общей целью наших теоретических исследований является изучение естественного отбора на геномном уровне. В течение последних двух лет мы в основном работали над пятью задачами, которые были сформулированы в заявке на мегагрант. Вот эти задачи, с краткими описаниями полученных результатов.

 

1. Создать метод обнаружения действовавшего в прошлом положительного отбора по данным об отрицательном отборе, действующем в настоящее время

           Метод создан. Он основан на очень простой идее: после того, как полезный аллель заканчивает вытеснение вредного аллеля из популяции, отбор, благоприятствующий этому полезному аллелю, из положительного делается отрицательным, поскольку благоприятствуемый аллель делается не редким, а частым. Применение этого метода к данным по генетической изменчивости человека показало, что до дивергенции Ponginae–Homininae примерно 50% аминокислотных замен в предковой линии человека были полезными, в то время как в более поздней эволюции линии  нашего вида таких замен было гораздо меньше. Напротив, в ходе эволюции предковой линии Drosophila melanogaster доля адаптивных аминокислотных замен все время составляла около 50% (Bazykin and Kondrashov 2011). Мы также показали, что положительный отбор играет бóльшую роль в эволюции консервативных сегментов белок-кодирующих генов (Bazykin and Kondrashov 2012).

 

2. Изучить свойства адаптивных ландшафтов в пространстве последовательностей, используя данные о фиксации полезных мутаций в сегментах генома, недавно претерпевших большие изменения

            Мы показали, что за сохраняющим рамку считывания выпадением или вставкой внутри белок-кодирующего гена обычно следует "адаптивная прогулка", состоящая из нескольких аминокислотных замен, которые происходят под действием положительного отбора (Leushkin et al. 2012a). Длины таких прогулок близки к предсказанным общей теорией адаптивных ландшафтов. Эти прогулки происходят на фоне сложных взаимодействий между мутагенезом, который преимущественно производит делеции, и отбором (Leushkin et al. 2012b) и конверсией (Leushkin and Bazykin 2012), которые благоприятствуют вставкам.

 

3. Изучить корреляции между заменами в соседних сайтах кодирующих и некодирующих последовательностей

            Мы описали сильную мелкомасштабную гетерогенность параметров мутационного процесса в геномах животных. Эта гетерогенность затрагивает как и общую скорость мутаций, так и относительные частоты точковых мутаций различных типов, прежде всего - транзиций и трансверсий (Seplyarskiy et al. 2012). Учитывая эту гетерогенность, мы изучили явление скоррелированности замен в соседних нуклеотидных сайтах в некодирующих последовательностях геномов позвоночных и дрозофил. Мы показали, что это явление гораздо более распространено, чем считалось ранее, и что оно вызвано в основном одновременными или почти одновременными заменами многих нуклеотидов. В основном такие множественные замены затрагивают не более 10 соседних нуклеотидных сайтов, однако многие из них включают в себя замены более чем двух нуклеотидов. Множественные замены допускают как мутационное, так и селекционное объяснение, но мутационное объяснение представляется более правдоподобным (Terekhanova et al. 2012).


4. Изучить феномен сохранения ортологии сегментов генома без сохранения очевидного сходства между их последовательностями

            Мы разработали метод поиска селекционных ограничений эволюции невыравниваемых последовательностей. Этот метод требует идентификации большого числа ортологичных, хотя и невыравниваемых, сегментов геномов. Для этого удобны интроны, ортология которых однозначно устанавливается за счет белок-кодирующего контекста. Затем выбирается квартет видов, состоящих из двух пар, таких, что внутри каждой пары между некоторыми ортологическими интронами есть значимые локальные выравнивания, но между парами такие выравнивания почти полностью отсутствуют. Примером такого квартета является ((Homo sapiens, Gallus gallus), (Ciona intestinalis, Ciona savignyi)). Затем проводится анализ корреляции между наличием значимых локальных выравниваний внутри двух пар одного квартета. Мы показали (Vakhrusheva et al. 2012), что такая корреляция существует. Это означает, что селекционные ограничения присутствуют в ходе всей эволюции квартета от общего предка, несмотря на то, что дивергенция далеких видов привела к тому, что их последовательности более не выравниваются.

 

5. Изучить феномен увеличения силы отрицательного отбора в пользу нового аллеля после аллельного замещения и применить его к анализу свойств адаптивных ландшафтов

            Мы изучили динамику вклада аминокислоты в приспособленность в зависимости от времени, прошедшего с момента, когда эта аминокислота появилась в белке. Эта зависимость оказалась очень сильной. Данные об обратных аминокислотных заменах показывают, что недавно замененная аминокислота часто восстанавливается, но со временем замены новой аминокислоты происходят все реже и реже. Этот эффект вызван в основном понижением вклада в приспособленность замененной аминокислоты, по-видимому являющимся следствием эпистатических взаимодействий между новой аминокислотой и аминокислотами, появляющимися а результате замен в других сайтах белка (Naumenko et al. 2012a). В ходе этой работы мы показали, что скорость эволюции и размер множества допустимых аминокислот скоррелированы неожиданно слабо, на уровне как отдельных сайтов так и целых белков, и, таким образом, являются двумя различными характеристиками эволюционного процесса (Naumenko et al. 2012b).

 

            Кроме того, мы начали изучение еще трех теоретических задач:

 

6. Эпистаз в эволюции вируса гриппа А

            Мы изучаем феномен ускорения эволюции белков вируса гриппа А после реассортации, в результате которой в геноме вируса появляется один или несколько белков из другого, часто филогенетически далекого, вируса. Это ускорение говорит об эпистатических взаимодействиях между отбором, действующим на разные белки.

 

7. Популяционная геномика сверхизменчивого организма Ciona savignyi

            Мы проводим сравнительный анализ генотипов 6 особей асцидии Ciona savignyi, отловленных в трех разных районах Тихого океана. В виду своей рекордной изменчивости этот вид представляет собой идеальный объект для изучения естественного отбора.

 

8. Анализ отбора против аллелей потери функции в популяциях дрозофилы

            Мы изучаем накопление несинонимических и синонимических замен в аллелях белок-кодирующих локусов дрозофилы, которые инактивированы нонсенс заменами. Нейтральность замен в инактивированных аллелях позволяет определять их возраст и, тем самым, силу отбора на поддержание функционального аллеля.


 

Получение и анализ собственных данных

            Помимо чисто теоретических и биоинформатических исследований, мы также начали исследования, включающие в себя получение и анализ собственных данных:

 

9. Секвенирование, аннотация и анализ минимального генома цветкового растения

            Genlisea margaretae и G. aurea обладают самым короткими геномами среди покрытосеменных  всего 64 миллиона нуклеотидов. Мы изучаем механизмы миниатюризации генома, сравнивая их с геномами относительно близких видов. Показано, что геном G. aurea имеет меньшее число генов, чем все изученные к настоящему времени виды растений, и что длина некодирующих участков генома сильно сокращена.

Подробнее: http://www.biomedcentral.com/1471-2164/14/476/ 

 

10. Геномный анализ адаптация трехиглой колюшки Gasterosteus aculeatus к пресной воде

            Мы сравниваем генотипы трехиглой колюшки из популяций из Белого моря и соседних с ним пресноводных озер. Это сравнение позволяет выявить гены, ответственные за адаптацию к пресной воде, и оценить силу соответствующего отбора. Работа ведется в сотрудничестве с Н. С. Мюге (Лаборатория популяционной биологии Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии).

 Подробнее: http://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1004696

11. Изучение тонкой структуры сайтов рекомбинации после отдаленного скрещивания у базидиомицета Schizophyllum commune

            Мы скрестили двух гаплоидных индивидуумов Schizophyllum commune, синонимическое расстояние между геномами которых превышает 20%, и секвенировали генотипы 20 гаплоидных потомков. Детальный анализ 35 обнаруженных точек кроссинговера позволяет изучить их свойства, в том числе и те, которые недоступны анализу в продуктах скрещиваний между более близкими организмами.

 Подробнее: http://mbe.oxfordjournals.org/content/early/2014/08/18/molbev.msu242.full.pdf+html 

12. Анализ биоразнообразия Белого моря; поиск новых модельных систем с высоким уровнем генетического полиморфизма

            Мы ведем систематическое изучение внутрипопуляционной изменчивости в популяциях макроскопических животных и водорослей, обитающих в Белом море. На сегодняшний день изучены более 100 популяций и открыты 7 видов-двойников, а также один случай митохондриальной интрогрессии. Работа ведется в сотрудничестве со многими зоологами и альгологами, работающими на ББС МГУ.

 

13. Геномный полиморфизм аскомицетов Geomyces pannorum, выделенных из экстремальных местообитаний

            Мы секвенировали 14 генотипов Geomyces (Pseudogymnoascus) pannorum - потерявшего половое размножение аскомицета, живущего в условиях низких температур, в том числе в вечной мерзлоте. Сравнительный анализ этих геномов выявил сложные филогенетические связи между организмами из различных местообитаний, а также ряд случаев горизонтального переноса сегментов генома. Работа ведется в сотрудничестве с С. М. Озерской (Всероссийская коллекция микроорганизмов Института биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина). 

Подробнее: http://www.biomedcentral.com/1471-2164/16/400

 

14. Секвенирование, аннотация и анализ геномов дикой и культурной гречихи

            Мы секвенировали геном дикого предка одного из двух видов культурной гречихи Fagopyrum tataricum ssp. potanini и проводим его анализ. Вскоре аналогичный анализ будет проведен и для культиваров Fagopyrum tataricum, а также для дикого предка и культиваров другого вида культурной гречихи  Fagopyrum esculentum.

 

15. Популяционная геномика сверхизменчивого базидиомицета Schizophyllum commune

            Мы показали, что внутрипопуляционная изменчивость генотипов Schizophyllum commune необычно высока и составляет почти 7%. Мы секвенировали генотипы 42 гаплоидных особей этого вида из нескольких районов России и США и проводим их сравнительный анализ.

 

16. Секвенирование, аннотация и анализ генома тетраплоидного вида Capsella bursa-pastoris

            Пастушья сумка Capsella bursa-pastoris – продукт недавней полногеномной дупликации. Мы секвенировали её геном и изучаем начальные стадии постдупликационной эволюции. Работа ведется в сотрудничестве с В.Ю. Макеевым и А.С. Касьяновым (Лаборатория системной биологии и вычислительной генетики Института общей генетики).

 

17. Геномика адаптации аскомицета Podospora anserina к новым условиям обитания

            О. А. Кудрявцева (Кафедра микологии и альгологии Биофака МГУ) проводит длительный эксперимент по культивированию аскомицета Podospora anserina в искусственных условиях. Мы секвенируем предковые генотипы и генотипы произошедших от них линий и изучаем изменения, вызванные адаптацией к условиям культивирования.


18. Эволюция белков в ходе видообразования у байкальских амфипод

            Амфиподы озера Байкал - один из самых замечательных пучков видов. Мы секвенируем транскриптомы разных видов с тем, чтобы изучить процессы, сопровождавшие быстрый кладогенез, который породил этот пучок видов. Работа ведется в сотрудничестве с Л. Ю. Ямпольским (Department of Biology, East Tennessee State University).