Цена доставки диссертации от 500 рублей 

Поиск:

Каталог / БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ / Биоинформатика

Особенности эволюции различных функциональных областей альтернативно сплайсируемых генов эукариот

Диссертация

Автор: Ермакова, Екатерина Олеговна

Заглавие: Особенности эволюции различных функциональных областей альтернативно сплайсируемых генов эукариот

Справка об оригинале: Ермакова, Екатерина Олеговна. Особенности эволюции различных функциональных областей альтернативно сплайсируемых генов эукариот : диссертация ... кандидата биологических наук : 03.00.28 / Ермакова Екатерина Олеговна; [Место защиты: Ин-т проблем передачи информации РАН] Москва, 2008 103 c. : 61 08-3/674

Физическое описание: 103 стр.

Выходные данные: Москва, 2008






Содержание:

ВВЕДЕНИЕ
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
11 Альтернативный сплайсинг: общее введение
12 Функции альтернативного сплайсинга в клетке
121 Альтернативный сплайсинг и регуляция
122 Функциональность альтернативного 21 сплайсинга
1221 PACT: регулируемый 22 антипродуктивный альтернативный сплайсинг и трансляция
123 Альтернативный сплайсинг и структура 25 белка
13 Парные альтернативные сайты сплайсинга 26 в геноме человека
14 Эволюция альтернативно сплайсируемых 30 областей
141 Метод молекулярной эволюции
142 Молекулярная эволюция эукариотических 36 геномов
143 Образование и дальнейшая эволюция 37 альтернативно сплайсируемых областей
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
21 Данные
211 Аннотация альтернативного сплайсинга
212 Поиск ортологичных генов и геномные 42 выравнивания
22 Алгоритмы
221 Оценка количества нуклеотидных замен 42 Метод Ины
222 Асимметрия мутаций нуклеотидов
223 Точность оценки эволюционных 46 параметров
224 Веса сайтов 47 23 Программное обеспечение
231 BLAT и Pro-Gen: идентификация 47 ортологичных сайтов сплайсинга
232 IsoformCounter: предсказание 48 функциональности сплайсированных мРНК
233 WebLogo: построение лого-диаграмм
234 R: статистика
235 Авторское программное обеспечение
3 ПЕРЕКРЫВАЮЩИЕСЯ ДОНОРНЫЕ САЙТЫ СПЛАЙСИНГА 49 В ГЕНОМЕ ЧЕЛОВЕКА
31 Определения
32 Результаты
33 Обсуждение
4 НУКЛЕОТИДНЫЕ ЗАМЕНЫ В АЛЬТЕРНАТИВНЫХ И 61 ПОСТОЯННЫХ БЕЛОК-КОДИРУЮЩИХ УЧАСТКАХ ГЕНОВ
41 Определения
42 Результаты
43 Обсуждение 73 ВЫВОДЫ 77 БЛАГОДАРНОСТИ 79 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение:
Под воздействием химических или физических факторов ДНК клетки может претерпеть изменения, она эволюционирует. Эти изменения, мутации, могут существенно повлиять на фенотип всего организма, но они редко фиксируются, обычно мутировавшие клетки погибают и не влияют на организм в целом. Наибольшее значение имеют мутации, происходящие в первой зародышевой клетке или половых клетках, образовавших её, так как они влияют на все клетки нового организма. Если рассматривается организм в целом, остальными мутациями пренебрегают, и говорят о геноме организма, а не о геноме отдельной клетки. Также часто пренебрегают отличиями геномов организмов одного вида и говорят о геноме вида, например, о геноме человека.
Основная задача геномики — полное описание генотипов всех живых организмов, их эволюции и отображения во множество фенотипов. Для эукариотических организмов эта задача особенно сложна и интересна, так как гены эукариот содержат интроны, вырезаемые из матричной РНК (мРНК) во время сплайсинга, и одинаковые мРНК могут быть при разных условиях сплайсированы по-разному. Более 50% генов человека [1] и минимум 20% генов плодовой мушки (flybase.org) альтернативно сплайсируются. Эволюция сайтов сплайсинга и альтернативно сплайсируемых участков генома и составляет предмет данной работы.
Различные участки хромосом несут неодинаковую функциональную нагрузку. Гены транскрибируются: специальные ферменты, РНК-полимеразы, создают РНК-копии генов, которые могут впоследствии функционировать в клетке как самостоятельные функциональные единицы, а могут быть процессированы (т.е. модифицированы), а также впоследствии транслированы, т.е. послужить шаблоном для белка. Также хромосомы содержат межгенные участки, у человека они составляют 90% всего генома. Отдельные участки как генов, так и межгенных областей участвуют в регуляции: они могут иметь специфическую последовательность, узнаваемую регуляторными или структурными белками, могут быть ответственными за сворачивание ДНК в клетке и т. д. Поэтому мутации в различных функциональных областях генома могут иметь неодинаковые последствия для организма: могут никак не повлиять на его фенотип, могут быть вредными или даже летальными, а могут и улучшить его приспособленность.
Эволюция генома складывается из полногеномных дупликаций, хромосомных перестроек, делеций и вставок в хромосомы нуклеотидных последовательностей разного размера, а также точечных замен нуклеотидов. t
Границы делеций, вставок, перестроек, как правило, приходятся на некодирующие области (интроны и межгенные области). В эволюции кодирующих последовательностей одну из ведущих ролей играют точечные нуклеотидные замены.
Генетический код вырожден, некоторые аминокислоты могут кодироваться различными тройками нуклеотидов. Поэтому часть нуклеотидных замен в кодирующей области гена не приводит к замене аминокислоты в белке. Например, триплеты AGT и AGC, отличающиеся одним нуклеотидом, оба кодируют серин. Такие нуклеотидные замены называют синонимичными. Нуклеотидные замены в кодирующей области, приводящие к замене аминокислоты, называют несинонимичными. Точечная нуклеотидная замена может повлиять на вторичную структуру транскрибированной РНК и на регуляторные сайты, например, сайт сплайсинга или энхансер. Дополнительное давление отбора на синонимичную позицию может также возникнуть из-за предпочтения организмом тех или иных кодонов вырожденного семейства вследствие различий в эффективности трансляции синонимичных кодонов или смещённого GC-состава локуса, содержащего исследуемый ген. Таким образом, вообще говоря, даже синонимичная замена может не быть нейтральной.
В данной работе изучено поведение точечных замен в альтернативно сплайсируемых кодирующих областях генов млекопитающих, на материале полных геномов человека и мыши, и насекомых, на примере полных геномов двух видов плодовой мушки. Показано, что в альтернативных кодирующих участках генома нуклеотидные замены фиксируются чаще, чем в постоянных, и давление отбора ослаблено как на уровне мРНК, так и на уровне белка. Отдельно исследовано поведение нуклеотидных замен в концевых и внутренних участках гена. Показано, что внутренние альтернативные участки генов дрозофилы находятся под положительным отбором, а в альтернативных участках генов человека, соответствующих С-концу белка, отрицательный отбор слабее и/или положительный отбор сильнее, чем в других альтернативных участках.
Недавно были исследованы перекрывающиеся донорные сайты со сдвигом сайта на три нуклеотида и консенсусом GYNGYN ([2], см. таюке обзор литературы). При выборе альтернативы в таком сайте не происходит сдвига рамки считывания, однако мотив GYNGYN далёк от консенсуса, а левый сайт оказывается нарушенным. Поэтому в данной работе рассмотрены перекрывающиеся донорные сайты и других типов. Пары сайтов со сдвигом на четыре нуклеотида (GYNNGY) наиболее близки к консенсусу, но сдвигают рамку считывания. Хотя этот мотив оказался наиболее распространённым [3, 4], ранее он не рассматривался подробно.
В данной работе рассматриваются перекрывающиеся альтернативные донорные сайты сплайсинга, находящиеся на расстоянии от 3 до 6 нуклеотидов, и потенциальные сайты сплайсинга (т. е. динуклеотиды GY), находящиеся на таком же расстоянии от активного сайта сплайсинга. Показано, что пары со сдвигом сайта на 4 нуклеотида встречаются гораздо чаще прочих, несмотря на то, что они сдвигают рамку считывания.
При рассмотрении сохранности потенциальных и активных сайтов сплайсинга в геномах мыши и собаки показано, что потенциальные донорные сайты сплайсинга в интронах сохраняются реже, чем потенциальные донорные сайты сплайсинга в экзонах, исключая потенциальные GT сайты, находящиеся в интроне на расстоянии 4 нуклеотида от активного сайта, т. е. соответствующие консенсусу этого донорного сайта сплайсинга. Основные (т. е., чаще используемые) сайты сплайсинга сохраняются чаще минорных (т. е., реже используемых). Пары сайтов, оставляющие рамку считывания неизменной, сохраняются чаще, чем сдвигающие её.
Наконец, показано, что в 55% альтернативно сплайсируемых пар одна из изоформ транслируется, в то время как другая (как правило, минорная) — нет. Такие нетранслируемые изоформы, по-видимому, являются мишенью нонсенс-мотивированной деградации (НМД, nonsense-mediated decay, NMD) и могут играть существенную роль в регуляции экспрессии генов.
Таким образом, различные методы сравнительной геномики подтверждают, что экспрессия альтернативно сплайсируемых участков генов является объектом тонкой регуляции, а их нуклеотидные последовательности подвержены направленному отбору.
Задачи, рассмотренные, в данной работе, существенны в контексте глобальной проблемы определения экспрессии гена (в том числе, экзон-интронной структуры, альтернативного сплайсинга, взаимодействий с регуляторными молекулярными комплексами) по его нуклеотидной последовательности.
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Разнообразны как представители одного вида, так и клетки в составе одного и того же организма. Более того, это разнообразие с течением времени изменяется: клетка рождается, реагирует на внешние условия и умирает, организм растёт и развивается, вид эволюционирует. Альтернативный сплайсинг активно участвует в создании разнообразия эукариотических живых организмов как в пространстве, так и во времени.
Альтернативный сплайсинг позволяет получать из одного гена несколько функциональных продуктов. Они могут присутствовать одновременно в одной клетке или быть тканеспецифичными (пространственное разделение), могут участвовать в разных этапах развития клетки или организма в целом (временное разделение). Также альтернативные участки генов служат „экспериментальным полем" эволюции. Эволюция на уровне фенотипа предопределяется изменениями в последовательности ДНК организма.
Под молекулярной эволюцией далее мы будем подразумевать эволюцию последовательности ДНК. Более всего нас будут интересовать точечные мутации в последовательностях генов. Точечные мутации и альтернативный сплайсинг тесно взаимодействуют: точечные мутации могут разрушить сайт сплайсинга или создать новый, могут повлиять на регуляцию альтернативного сплайсинга, например, сделать постоянный сайт сплайсинга альтернативным или наоборот, а вовлечённость того или иного участка гена в альтернативный сплайсинг может повлиять на свободу его эволюции.