Взаимосвязь размера генома и сложности организма в эволюционном ряду от прокариот к млекопитающим



страница1/2
Дата13.06.2017
Размер0,57 Mb.
  1   2
ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2010, № 4, с. 3–14


УДК 575
ВЗАИМОСВЯЗЬ РАЗМЕРА ГЕНОМА И СЛОЖНОСТИ ОРГАНИЗМА В ЭВОЛЮЦИОННОМ РЯДУ ОТ ПРОКАРИОТ К МЛЕКОПИТАЮЩИМ

© 2010 г. A. В. Марков*, В. А. Анисимов**, А. В. Коротаев***
*Палеонтологический институт им. А.А. Борисяка РАН e(mail: markov_a@inbox.ru
**A2iA: Искусственный интеллект и анализ изображений e(mail: va@a2ia.com
***Российский государственный гуманитарный университет e(mail: akorotayev@mail.ru
Поступила в редакцию 21.04.2009 г. Принята к печати 19.06.2009 г.
Отсутствие строгой зависимости между уровнем организации (сложностью) организмов и размером генома связано с вариабельностью размеров “факультативной” части генома. В эволюционной ли_ нии, ведущей от прокариот к млекопитающим, в которой тенденция к усложнению проявилась наиболее сильно, выявлена прямая зависимость между уровнем организации и минимальным раз_ мером генома (МРГ). Динамика МРГ в этой линии хорошо описывается моделью гиперэкспонен_ циального роста, что позволяет предполагать наличие нелинейных положительных обратных свя_ зей, обеспечивающих ускорение роста МРГ. Рассмотрена природа этих связей, включая формиро_ вание новых генов путем перекомбинирования фрагментов имеющихся генов и формирование “ниш” для новых генов в ходе эволюции генных сетей, а также усложнение регуляторных участков. Гиперэкспоненциальный рост показателей, отражающих уровень организации биосферы и социума (биоразнообразие, МРГ, размер и сложность организмов, народонаселение, уровень технологиче_ ского развития, урбанизации и т.д.) позволяет предположить, что эволюция биосферы и социума по пути к общему усложнению является самоускоряющимся (автокаталитическим) процессом.


Вопрос о возможной связи между размером ге_

связи между сложностью генома и организма в этой




нома и уровнем морфофизиологической организа_

эволюционной линии. В качестве “меры сложно_




ции (или сложностью строения) организма давно

сти” генома нами используется минимальный раз_




привлекает внимание биологов. Предположение о

мер генома (МРГ) в пределах крупного таксона.




существовании положительной корреляции между

Ниже мы покажем, что в данной эволюционной ли_




этими показателями представляется логичным, по_

нии наблюдается рост МРГ, который хорошо опи_




скольку для построения в ходе онтогенеза более

сывается моделью двухэкспоненциальной разно_




сложного организма, казалось бы, требуется более

видности гиперэкспоненциального роста. Ранее




объемная “программа развития”. Однако до по_

модели гиперэкспоненциального роста (прежде




следнего времени выявить сколько_нибудь строгую

всего гиперболические) с успехом применялись




зависимость такого рода не удавалось (Gregory,

для описания динамики ряда демографических и




2005). Попытки выявить закономерный рост гено_

макросоциологических

показателей (народонасе_




ма в отдельных эволюционных линиях, как прави_

ления, уровней технологического и экономическо_




ло, не приводили к успеху (Thomas, 1971; Gregory,

го развития, урбанизации, грамотности и др.) (Ко_




Hebert, 1999; Gregory, 2005, 2008). С другой стороны,

ротаев и др., 2007а, б; Гринин, Коротаев, 2009). Кро_




отмечается значительное увеличение генома при

ме того, показана приложимость гиперболической




переходе от прокариот к эукариотам и от однокле_

модели к динамике таксономического разнообра_




точных эукариот к многоклеточным; имеются ука_

зия фанерозойской биоты (Марков, Коротаев, 2008,




зания на наличие положительной связи между раз_

2009). Гиперэкспоненциальный рост обычно свиде_




мером уникальных геномных последовательностей и

тельствует о наличии сложных нелинейных поло_




уровнем организации; кроме того, отмечается об_

жительных обратных

связей, способствующих




щий рост генома в наиболее “прогрессивной” эво_

ускорению роста изучаемого показателя.













люционной линии, ведущей от прокариот к млеко_

Работа выполнена при поддержке Программ




питающим (в этой линии наиболее четко выражена

Президиума РАН “Биоразнообразие и динамика ге_




тенденция к морфофизиологическому прогрессу)

нофондов” и “Происхождение биосферы и эволю_




(Рэфф, Кофман, 1986; Patthy, 1999; Sharov, 2006).

ция гео_биологических систем, Подпрограмма II” и




Целью настоящей работы является анализ взаимо_

РФФИ (проект 09_05_01009). Авторы благодарны



3


4 МАРКОВ и др.

А.Д. Панову, А.С. Раутиану и А.А. Фомину за обсуж_ дение идей, рассматриваемых в данной статье, и ценные рекомендации.


МИНИМАЛЬНЫЙ РАЗМЕР ГЕНОМА КАК МЕРА НЕОБХОДИМОГО (НЕИЗБЫТОЧНОГО) КОЛИЧЕСТВА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Мы рассматриваем именно минимальный (а не средний и не максимальный) размер генома в каж_ дой группе, потому что, как известно, геномы большинства организмов содержат много так на_ зываемой “мусорной ДНК” (junk DNA), которая не является необходимой для жизни организма. Ее количество может сильно варьировать даже в пре_ делах одного класса или отряда. Вариабельность объема “мусорной ДНК” во многом определяется случайными факторами, не связанными с жизнеде_ ятельностью и адаптивными характеристиками ор_ ганизма. Значительная часть “мусорной ДНК” представлена мобильными генетическими элемен_ тами (МГЭ). Так, у приматов на долю МГЭ прихо_ дится около 50% всего генома (Xing et al., 2007). Присутствие “лишней” ДНК в геноме возлагает до_ полнительную нагрузку на организм, которому приходится тратить больше ресурсов на реплика_ цию ДНК; разрастание генома может влиять на раз_ мер клетки, скорость деления и др. (Gregory, 2005; Gregory, Hebert, 1999). С другой стороны, представ_ ление о бесполезности МГЭ, интронов и других не_ кодирующих последовательностей является весьма условным. МГЭ служат источником генетической изменчивости, а отдельные фрагменты этих эгои_ стических элементов могут быть адаптированы для выполнения полезных функций (Miller et al., 1999; Volff, 2006). Показана значительная роль МГЭ в эво_ люции эукариот, в том числе в эволюции по пути усложнения (Bowen, Jordan, 2002; Muotri et al., 2007).
В ходе эволюции устанавливается динамическое равновесие между тенденциями к разрастанию и сокращению “мусорной ДНК”. Первая тенденция обусловлена, прежде всего, самопроизвольным раз_ множением МГЭ, вторая – их утратой в результате делеций (Gregory, 2004b). Утрата МГЭ в общем слу_ чае выгодна хозяину, поскольку обеспечивает эко_ номию ресурсов, расходуемых на синтез и содержа_ ние в каждой клетке “лишней” ДНК. Если одна из двух тенденций начинает преобладать, происходит “разбухание” или, наоборот, сокращение генома. Преобладание первой тенденции может быть связа_ но с появлением новой формы МГЭ, обладающей повышенной скоростью размножения, или с ослаб_ лением клеточных систем контроля МГЭ. Вторая тенденция может преобладать, если утрата лишних фрагментов генома дает значительное адаптивное преимущество. Типичный пример – сокращение генома у птиц и рукокрылых по сравнению с неле_
тающими тетраподами. Летающим позвоночным уменьшение веса тела дает адаптивное преимуще_ ство. “Лишняя” ДНК присутствует в каждой клетке


  • требует для своего содержания и воспроизводства множества “лишних” белков, что проявляется в по_ ложительной корреляцией между размером генома




  • размером клетки (Organ et al., 2007). Поэтому от_ бор благоприятствовал утрате “мусорной ДНК” у летающих позвоночных, что привело к сокраще_ нию генома (Hughes, Hughes, 1995).

Подчеркнем, что ни рост сложности, ни рост размера генома не являются всеобщими эволюци_ онными тенденциями. Так, в эволюции прокариот доминирующей тенденцией является не увеличе_ ние, а сокращение генома (Ochman, 2005). Анало_ гичная картина, по_видимому, наблюдалась и в эво_ люции ящеротазовых динозавров и птиц (Organ et al., 2007).


Физиологические особенности организма могут накладывать ограничения на размер генома. Так, у прокариот, с их несовершенными системами репа_ рации и распределения ДНК в ходе деления (отсут_ ствие митоза), геном не может разрастаться сверх некой предельной величины (Sharov, 2006): макси_ мальный размер генома у бактерий – 13.03 млн. пар нуклеотидов (п.н.) (Sorangium cellulosum), у архей – 5.75 млн. п.н. (Methanosarcina acetivorans) (Complete microbial genomes, 2008). Ограничителем роста ге_ нома у прокариот может служить и громадная чис_ ленность популяций, что замедляет генетический дрейф (Lynch, Conery, 2003). С другой стороны, име_ ющийся уровень сложности организма предполага_ ет, что его геном не может и сократиться ниже опре_ деленного минимального уровня.
Мы полагаем, что МРГ в большой группе орга_ низмов может быть использован для приблизи_ тельной оценки объема необходимой (неизбы_ точной) генетической информации, обеспечива_ ющей существование представителей данного таксона. Более точную оценку получить трудно, поскольку нет абсолютно надежных способов от_ личить действительно ненужные участки ДНК от функционально значимых (например, от некоди_ рующих последовательностей, выполняющих ре_ гуляторные функции).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Сравнивались МРГ в девяти последовательных “вложенных” друг в друга группах организмов (табл. 1). Последовательность групп соответствует эволюционной линии, ведущей от первых прокари_ от к млекопитающим. Выбор организма с мини_ мальным геномом в каждой группе осуществлялся без учета внутриклеточных симбионтов и парази_ тов, которые часто подвергаются генетическому упрощению и в определенном смысле теряют право именоваться самостоятельными организмами (см.,

ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ № 4 2010









ВЗАИМОСВЯЗЬ РАЗМЕРА ГЕНОМА И СЛОЖНОСТИ ОРГАНИЗМА

5




Таблица 1. Минимальный (≈неизбыточный) размер генома (МРГ) в девяти “вложенных” группах организмов































Группа

МРГ

Примерное время появ_

Вид – обладатель самого маленького генома










(млн. п.н.)

ления (млн. лет назад)

(кроме внутриклеточных паразитов)








































1.

Все живое

1.3

4000

Морская свободноживущая бактерия Pelagibacter ubique,



















штамм HTCC1062







2.

Эукариоты

9.2

2000

Сумчатый гриб Ashbya gossypii – обладатель самого малень_
















кого генома среди свободноживущих эукариот







3.

Животные

19.6

1250

Нематода Pratylenchus coffeae







(Metazoa)
















4.

Хордовые

68.6

575

Oikopleura dioica, аппендикулярия, представитель подти_
















па Tunicata (оболочники) типа хордовых







5.

Позвоночные

342

540

Костная рыба Tetraodon fluviatilis







6.

Тетраподы

931

375

Лягушка Limnodynastes ornatus







7.

Амниоты

951

315

Фазан Phasianus colchicus







8. Млекопитающие

1695

220

Летучая мышь Miniopterus schreibersi







9.

Приматы

2215

65

Обезьяна_прыгун Callicebus torquatus





























Примечание. Данные о размерах минимальных геномов в группах основаны на следующих источниках: Pellicciari et al., 1982; Gregory, 2004a, 2008; Dietrich et al., 2004; Complete Microbial Genomes, 2008; Eukaryotic genome sequencing projects, 2008. Приблизительные да_ тировки времени появления групп основаны на молекулярных и палеонтологических данных из следующих источников: Marshall, Schultze, 1992; Shu et al., 1999; Heges, Kumar, 2003; Battistuzzi et al., 2004; Федонкин, 2006; Falcon_Lang et al., 2007. Ряд данных указы_ вает на более раннее появление эукариот – возможно, 2.7 млрд. лет назад (Розанов, 2003), однако один из важнейших фактов такого рода (наличие эукариотических биомаркеров в архейских породах) недавно был подвергнут серьезным сомнениям (Rasmussen, 2008). В связи с этим мы используем более консервативную оценку 2 млрд. лет, согласующуюся с мнением многих авторов, а также с молекулярными данными.


например: Nakabachi et al., 2006). Внутриклеточные

видеть, что между МРГ и сложностью организма су_




симбионты эксплуатируют гены хозяина взамен

ществует положительная связь.




утраченных собственных генов, что и позволяет им

Нам пришлось исключить из рассмотрения не_




обходиться без многих генов, которые для свобод_




которые промежуточные уровни, по которым нет




ноживущих представителей данной группы явля_




ются абсолютно необходимыми. Гены симбионта

достаточно надежных данных. Следуя использован_




могут переноситься в геном хозяина, где и продол_

ной логике отбора групп, можно было между груп_




жают функционировать к общему благу симбионта

пами 5 (позвоночные) и 6 (тетраподы) поместить




и хозяина (как это было при становлении симбиоза

“промежуточную” группу челюстноротых. Это не




ранних эукариот с будущими митохондриями и

было сделано из_за недостаточности данных по бес_




пластидами) (Stegemann et al., 2003; Марков, Кули_

челюстным, то есть по тем позвоночным, которые




ков, 2005).

не входят в состав челюстноротых. Бесчелюстные




Каждая последующая из рассматриваемых групп

были разнообразны в палеозое, но в современной




биоте они представлены только двумя крайне спе_




организмов является “подмножеством” предыду_




циализированными группами – миногами и мик_




щей, причем именно тем подмножеством, в преде_




синами, среди которых пока не обнаружены формы




лах которого организмы достигли наибольшего




с маленькими геномами (Gregory, 2008). Однако это




уровня сложности. Характерно, что в пределах каж_




не дает оснований утверждать, что у палеозойских




дой группы наименьший размер генома отмечен




бесчелюстных геномы были также велики, как у со_




для тех представителей группы, которые не входят в




временных миног и миксин (на основании данных,




состав следующей вложенной группы. Например, в




группе 6 (тетраподы) наименьший геном характе_

изложенных в настоящей статье, мы предполагаем,




рен для представителя амфибий, то есть “низших”

что не были). Тем не менее, следует признать, что




тетрапод, а не для кого_либо из представителей

учет подобных реликтовых или слабо изученных




“высшей” вложенной группы 7 (амниоты), хотя ам_

групп мог бы в известной мере замаскировать об_




ниоты входят в состав тетрапод. Уже из этого можно

суждаемые в данной статье закономерности.



ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ № 4 2010



6 МАРКОВ и др.


Таблица 2. Данные, использованные ранее для обос_ нования экспоненциального характера роста неизбы_ точного размера генома (Sharov, 2006)








Неизбыточный

Время появления







Группа

размер генома







(млн. лет назад)










(млн. п.н.)




























1. Прокариоты

0.5

3500




2.

Эукариоты

2.9

2000




3.

Черви

72.8

1000




4.

Рыбы

133.3

500




5. Млекопитающие

480

125


















Важный вопрос, который неизбежно встает при любом исследовании с применением регрессион_ ного анализа – выбор адекватных моделей. Слиш_ ком простая модель может не позволить выявить существенные детали в исследуемых закономерно_ стях, в то время как слишком сложная грозит опас_ ностью излишней настройки на шумовую (случай_ ную) составляющую экспериментальных данных. Учитывая это, мы исследовали два класса моделей: двух_ и трехпараметрические. Двухпараметриче_ ские модели в общем случае более надежны и менее подвержены влиянию погрешностей измерений, а трехпараметрические – более информативны (при условии достаточной точности исходных данных).


Мы исследовали два семейства двухпараметри_ ческих моделей – экспоненциальные и гиперболи_ ческие. Экспоненциальные модели в общем случае могут быть представлены в виде: L = Ae(–BT), где L – МРГ таксона (в п.н.), А, B – “подгоночные” пара_ метры, T – период времени, прошедшего от пред_ полагаемого появления таксона (в млн. лет). Гипер_ болические модели описываются формулой L = = A/(B + T). Поскольку значение L в ряду от прока_ риот к млекопитающим изменяется более, чем на три порядка, представляется адекватным использо_ вание логарифмической шкалы (мы пользовались натуральными логарифмами МРГ).
Были также рассмотрены три семейства трехпа_ раметрических моделей – степенная экспоненци_ альная, степенная гиперболическая и двухэкспо_ ненциальная. Степенная экспоненциальная модель
N

описывается формулой L = Ae( B T ) , где N – третий подбираемый параметр. Степенной гиперболиче_ ской модели соответствует обобщенная формула L = A/(B + T)N. Двойная экспоненциальная модель

( –B T )

задается в форме L = C eA e , причем роль третьего параметра играет нормировочный коэффициент С. Оптимальные параметры моделей подбирались прямым численным перебором при помощи метода наименьших квадратов.


РЕЗУЛЬТАТЫ
Из рассмотренных двухпараметрических моде_ лей имеющимся данным (табл. 1) наилучшим обра_ зом соответствует экспоненциальная модель со зна_ чениями параметров A = 1.002 × 109, B = 0.00191; ко_ эффициент корреляции Пирсона достаточно высок (R2 = 0.914). Из трехпараметрических моделей наи_ лучшее приближение дает двухэкспоненциальная модель со значениями параметров: A = 8.41, B = = 7.98 × 10–4, C = 1.069 × 108. Корреляция с наблю_ даемыми данными оказывается выше, чем для про_ стой экспоненциальной модели (R2 = 0.979) (что неудивительно, поскольку трехпараметрические модели в общем случае позволяют точнее аппрок_ симировать фактические данные, чем двухпарамет_ рические). Для контроля были также вычислены параметры экспоненциальной и двухэкспоненци_ альной моделей по данным из статьи А.А. Шарова (Sharov, 2006; табл. 2; см. Обсуждение). Для экспо_ ненциальной модели получились следующие оп_ тимальные значения параметров: A = 4.37 × 108, B = 0.00206, для двухэкспоненциальной: A = 11.75, B = 2.88 × 10–4, C = 6.077 × 103. Отметим, что сам Шаров в рамках экспоненциальной модели пришел к аналогичным результатам.
Динамика роста МРГ в рассматриваемом эволю_ ционном ряду показана на рис. 1 (черные ромбы). Там же показаны данные Шарова (серые квадраты). Прямые, соответствующие оптимальным двухпара_ метрическим моделям, показаны сплошными ли_ ниями черного (для наших данных) и серого (для данных Шарова) цветов, а кривые, соответствую_ щие трехпараметрическим моделям – в виде муаро_ вых черной (наши данные) и серой (данные Шаро_ ва) линий.
ОБСУЖДЕНИЕ
Экспоненциальный или гиперэкспоненциальный рост? Анализ динамики размера “неизбыточного” генома в данной эволюционной линии, проведен_ ный Шаровым (Sharov, 2006), привел его к выводу об экспоненциальном росте этого показателя. Наш анализ отчасти повторяет работу Шарова, однако мы иначе оцениваем неизбыточный геном, а также используем более детальные данные. Шаров по_ строил свой экспоненциальный график на основе пяти точек, которые по своему биологическому смыслу соответствуют рассматриваемым нами группам 1, 2, 3, 5 и 8 (табл. 1, 2). Почему же Шаров сделал вывод об экспоненциальном характере ро_ ста, а у нас с разумной степенью уверенности полу_ чается более ускоренный, гиперэкспоненциальный рост? Это объясняется, во_первых, тем, что Шаров в своей работе вообще не рассматривал возможность существования иного, чем экспоненциальный, за_ кона роста МРГ, во_вторых, разницей в подходах к оценке неизбыточного генома. Для групп 1 и 2 Ша_

ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ № 4 2010



ВЗАИМОСВЯЗЬ РАЗМЕРА ГЕНОМА И СЛОЖНОСТИ ОРГАНИЗМА

7

10000000000



1000000000











А – двухэкспоненциальная


































100000000

































































































модель на наших данных







Б – двухэкспоненциальная










10000000



































































1000000


































модель на данных Шарова



















































































































100000
































































4500

4000



















2000







1000

500







3500

3000

2500

1500

0





: docs -> pubs
docs -> Стоматологический центр
docs -> «Гигиена полости рта»
docs -> Идеальная гигиена полости рта
docs -> Методика разработки норм времени и нагрузки медицинского персонала
pubs -> Влияние общества на формирование медиаполитики за рубежом
pubs -> Юсов Анатолий Борисович
pubs -> Уже не первый год можно встретить и в устных выступлениях, и в статьях на религиозные темы, что светскость не тождественна атеизму
pubs -> Обоснование концепции стратегического управления городом Justification of the concept of strategic management by the city


  1   2


База данных защищена авторским правом ©stomatologo.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница