Молекулярная организация генома птиц
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
Ленинградский государственный университет им. Пушкина
Год издания: 2010
Кол-во страниц: 108
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-8290-0957-1
Артикул: 617692.01.99
В монографии рассмотрены вопросы молекулярной организации генома птиц как представителей одного из наиболее многочисленных классов позвоночных животных. Сравнительный аспект в изложении данных о структуре и функции геномных последовательностей позволяет осветить наиболее существенные общие черты организации нуклеиновых кислот теплокровных животных. Предназначена для широкого круга читателей: специалистов, студентов и преподавателей биологии, генетиков и селекционеров.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 06.03.01: Биология
- ВО - Магистратура
- 06.04.01: Биология
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Ленинградский государственный университет имени А.С. Пушкина А. А. Сазанов МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНОМА ПТИЦ Монография Санкт-Петербург 2010
УДК 575.113:577.21:598.2 ББК 28.64+28.693.35 Рецензенты: Т. И. Кузьмина, доктор биологических наук, профессор (Всероссийский научноисследовательский институт генетики и разведения сельскохозяйственных животных Российской академии сельскохозяйственных наук); Я. М. Галл, доктор биологических наук, профессор (Ленинградский государственный университет имени А.С. Пушкина) Сазанов А. А. Молекулярная организация генома птиц: моногр. / А. А. Сазанов. – СПб.: ЛГУ им. А.С. Пушкина, 2010. – 108 с. ISBN 978-5-8290-0957-1 В монографии рассмотрены вопросы молекулярной организации генома птиц как представителей одного из наиболее многочисленных классов позвоночных животных. Сравнительный аспект в изложении данных о структуре и функции геномных последовательностей позволяет осветить наиболее существенные общие черты организации нуклеиновых кислот теплокровных животных. Предназначена для широкого круга читателей: специалистов, студентов и преподавателей биологии, генетиков и селекционеров. Печатается по решению редакционно-издательского совета Ленинградского государственного университета имени А. С. Пушкина ISBN 978-5-8290-0957-1 © Ленинградский государственный университет (ЛГУ) имени А. С. Пушкина, 2010
Оглавление Предисловие .........................................................................................5 Список сокращений...............................................................................6 Глава 1. Особенности кариотипа птиц.................................................7 Глава 2. Генетические карты..............................................................18 Глава 3. Физические карты и интеграция генетических и физических карт.................................................................27 Глава 4. Геномные библиотеки ..........................................................35 Глава 5. Отношения паралогии..........................................................48 Глава 6. Отношения ортологии ..........................................................54 Глава 7. Композиционная гетерогенность ДНК и функциональная специализация геномных фракций ......65 Глава 8. Особенности организации нуклеотидных последовательностей по данным геномного секвенирования.....................................................................79 Глава 9. Геномика различных видов птиц .........................................84 Глава 10. Локусы количественных признаков (QTL) .........................95 10.1. Картирование QTL......................................................95 10.2. QTL яичной продуктивности ......................................96 10.3. QTL мясной продуктивности......................................97 10.4. QTL устойчивости к болезням ...................................99 10.5. QTL поведения .........................................................101 Глава 11. Функциональная геномика ...............................................105 Заключение........................................................................................107
Предисловие Генетика и молекулярная биология – атрибутивные базисные элементы общебиологического образования. Предметами этих научных дисциплин являются наследственность и изменчивость, функционирование биологических объектов и систем на уровне макромолекул – наиболее общие свойства живых организмов. Концептуальный характер этих дисциплин позволяет считать их точными науками наряду с математикой, физикой и химией. Таким образом, связывая биологию с другими естественнонаучными дисциплинами, генетика и молекулярная биология дают возможность формировать у студентов научное мышление. Освоение логики генетического анализа содействует развитию дисциплины научного мышления. Прикладное значение генетики и молекулярной биологии в медицине, биотехнологии и сельском хозяйстве стремительно возрастает, что настоятельно требует качественного повышения уровня генетического образования в средней школе. Учебные дисциплины «Генетика с основами селекции» и «Молекулярная биология» в качестве своей неотъемлемой части включают геномику – науку о молекулярной организации генома. Современный период развития наук о жизни часто называют постгеномной эрой. То есть полагается, что весь блок биологических дисциплин основан на релизах полных сиквенсов геномов и геномных базах данных. Наряду с системной биологией, транскриптомикой и протеомикой геномика является – интенсивно развивающая область биологии. Это подразумевает необходимость привлечения в учебный процесс данных с передовых рубежей этой науки, обобщений результатов, опубликованных в многочисленных статьях и обзорах, в пределах компактной монографии. В работе рассмотрены наиболее существенные, на взгляд автора, вопросы молекулярной организации генома птиц как представителей одного из самых многочисленных классов типа Vertebrata. Сравнительный аспект в изложении данных о структуре и функции геномных последовательностей позволяет осветить наиболее существенные общие черты организации нуклеиновых кислот теплокровных животных. Таким образом, в представленной Вашему вниманию монографии автор постарался дать представление о современной геномике изнутри – от лица ученых-генетиков и молекулярных биологов, что, по мнению автора, будет способствовать более адекватному восприятию материала этих курсов, позволит получить углубленное понимание существа этих предметов. Автор искренне благодарен Анне Львовне Сазановой, оказавшей бесценную помощь при подготовке рукописи к печати.
Список сокращений АТ – пара нуклеотидов аденин-тимин ГЦ – пара нуклеотидов гуанин-цитозин кДНК – комплементарная дезоксирибонуклеиновая кислота мРНК – матричная рибонуклеиновая кислота пг – пикограмм п. н. – пара нуклеотидов ПЦР – полимеразная цепная реакция т. п. н. – тысяча пар нуклеотидов сМ – сантиморган ЯОР – район ядрышкового организатора BAC – искусственная бактериальная хромосома EST – экспрессирующаяся нуклеотидная последовательность FISH – флуоресцентная гибридизация ДНК-ДНК in situ FLpter – фракционное расстояния от теломера короткого плеча хромосомы (выражается в долях единицы) GGA – хромосома курицы GTP – гуанозин-трифосфат HSA – хромосома человека ORF – открытая рамка считывания OVERGO – скринирование геномных библиотек путем гибридизации их клонов с 24-членными олигонуклеотидами, представляющими наиболее консервативные части кодирующих или маркерных последовательностей QTL – локус количественного признака RBG – репликационная R-окраска хромосом SNP – сайт мононуклеотидного полиморфомизма YAC – искусственная хромосома дрожжей
Глава 1. Особенности кариотипа птиц Среди позвоночных животных класс Aves отличается наибольшей консервативностью величины геномов: для изученных в этом отношении видов птиц содержание ДНК на клеточное ядро варьирует от 2,5 до 3,0 пг. Гаплоидный геном птиц в среднем состоит из 1,2x109 пар нуклеотидов, что в 2,75 раза меньше, чем у млекопитающих [1, 2]. Сравнительно низкое содержание ДНК в геномах птиц объясняют «необходимостью полета», а высокий эволюционный консерватизм этого показателя – монофилетическим происхождением класса Aves [3]. Высокий консерватизм геномных последовательностей ДНК и структуры кариотипа в пределах класса Aves был показан методом zoo-FISH (гетерологической гибридизации ДНК-ДНК in situ геномных последовательностей на хромосомах) [2]. Результаты гибридизации хромосомоспецифических ДНК-зондов домашней курицы на хромосомах эму Dromaius novaehollandie свидетельствуют о значительной гомологии всех макрохромосом этих видов, несмотря на то, что они относятся к разным подклассам (Neognathi и Paleognathi, соответственно) и разошлись в ходе эволюции более 80 миллионов лет назад [2]. При гибридизации 45 макрохромосомных протяженных ДНК-клонов домашней курицы на хромосомах японского перепела было показано точное совпадение порядка расположения маркеров на хромосомах Gallus gallus и Cotirnix coturnix с учетом незначительных хромосомных перестроек, по которым различаются кариотипы этих видов [4]. Ранее было показано, что первые три пары макрохромосом и половая Z-хромосома у четырех видов трех эволюционно неблизких отрядов (Galliformes – курообразные, Columbiformes – голубеобразные и Musophagiformes – бананоеды) имеют очень сходный рисунок G- / R- исчерченности и при этом не проявляют никакой гомологии с хромосомами черепах, змей и амфибий [5]. Ряд исследований с использованием методов дифференциального окрашивания хромосом на большом количестве видов показал уникально высокий для позвоночных животных эволюционный консерватизм кариотипов представителей класса Aves [6, 7, 8, 9, 10]. Содержание уникальных последовательностей у изученных в этом отношении видов птиц (80–84 %) по сравнению с млекопитающими (65–70 %) является очень высоким [11, 12]. При этом содержание сателлитной ДНК в геноме домашней курицы не превышает 3 %, в то время как у млекопитающих число последовательностей, характеризующихся высокой повторяемостью в геноме, составляет около 35 % от всего генома [11]. У японского перепела Coturnix japonica ГЦ богатая сателлитная ДНК составляет
5 % генома [13]. В 1972 г. Браун и Джонс [14] показали, что сателлитная ДНК локализуется в основном в микрохромосомах и в W-хромосоме домашней курицы и японского перепела. Микрохромосомы у Gallus domesticus являются в основном ГЦ-обогащенными, хотя некоторые авторы отмечают, что в некоторых микрохромосомах центромерные районы АТ обогащены [15]. Геном класса Aves занимает промежуточное положение между двумя основными типами интерсперсии (типами чередования уникальных и повторяющихся последовательностей) – так называемыми «Drosophila» и «Xenopus» [12]. Тип интерсперсии «Xenopus» характеризуется наличием коротких рассеянных в геноме уникальных последовательностей, фланкируемых повторяющимися последовательностями, вместе с которыми формируют блоки до 2300 п. н. длиной каждый. Этот вариант интерсперсии был найден у ряда растений и животных – как позвоночных, так и беспозвоночных. Тип интерсперсии «Drosophila» характеризуется наличием очень протяженных уникальных последовательностей, которые вместе с повторяющейся ДНК формируют блоки длиной до 40 т. п. н. Этот тип характерен для двукрылых и перепончатокрылых насекомых [12]. Промежуточный тип чередования уникальных и повторяющихся последовательностей, найденный у домашней курицы, характеризуется тем, что около 34 % имеющихся в геноме данного вида уникальных последовательностей вместе с фланкирующими их повторами образуют блоки размером до 7 т. п. н.; в то же время в геноме курицы содержится 38 % ничем не перемежающихся уникальных последовательностей, имеющих размер около 22 т. п. н. [12]. Главной отличительной особенностью кариотипов птиц является многочисленность и гетерогенность входящих в их состав хромосом. Ввиду того, что хромосомы в классе Aves различаются по размеру, их принято условно делить на две группы: группу макрохромосом, состоящую из шести – восьми пар относительно крупных по размеру (3–8 мкм) хромосом и группу микрохромосом – мелких трудноидентифицируемых хромосом (0,3–3 мкм) [14]. Проведенный Родионовым [16] анализ опубликованных кариотипов более 800 современных видов птиц показал, что практически все они имеют стандартный диплоидный набор хромосом (2n=76–82 обнаружено у 65 % видов) и типичную морфологию макрохромосом. Наименьшее среди всех птиц число хромосом (2n=40) встречается у авдотки обыкновенной (Burhinus oedicnemus), отряд ржанкообразных (Charadriiformes), а наибольшее (2n=132) – у
представителя отряда ракшеобразных (Coraciiformes) – зимородка обыкновенного (Alcedo attnis) [17]. Интересно, что различия по числу хромосом у птиц не всегда связаны с таксономическим положением. Так, у соколообразных (Falconiformes) Старого Света кариотип включает по 20–23 пары хромосом, а у соколов Нового Света – по 50–53 пары [18]. Следует отметить, что практически всегда в таких случаях число и морфология макрохромосом остаются неизменными, варьирует число и структура микрохромосом [19]. У всех изученных видов птиц хромосомный механизм определения пола – ZZ (самцы) и ZW (самки), т. е. в отличие от млекопитающих гомогаметным полом у птиц является мужской [20]. У единственного модельного объекта из числа птиц - домашней курицы Gallus domesticus – диплоидный набор состоит из 78 хромосом, 16 из которых макро-, а 62 микрохромосомы [21]. Исследование митотических хромосом домашней курицы при помощи дифференциального окрашивания выявило ряд интересных особенностей. При использовании С-метода дифференциальной окраски по Гимза-Романовскому была обнаружена неоднозначность выявления блоков гетерохроматина в прицентромерных областях макрохромосом (за исключением половой Z-хромосомы). С-положительные районы наиболее интенсивно окрашиваются в прицентромерных областях микрохромосом, а половая W-хромосома является полностью С-положительной [22]. При помощи G-метода дифференциальной окраски на митотических хромосомах курицы были выявлены достаточно четкие G-диски [23]. Полученный рисунок использовали для идентификации хромосомных районов и сигнала после изотопной гибридизации in situ [24]. Использование АТ-специфических флуорохромов (акрихин иприт, Хехст 33258, ДАПИ) не позволило выявить отчетливых блоков гетерохроматина курицы. Полученная неоднородная флуоресценция была недостаточно информативна для анализа Q-исчерченности хромосом. По-видимому, картина Q-окраски хромосом птиц и рептилий является промежуточной между четкой Q-исчерченностью хромосом млекопитающих и монотонной флуоресценцией хромосом амфибий [25, 26]. Небольшие ярко светящиеся блоки гетерохроматина были выявлены после применения ГЦ-специфических антибиотиков хромомицина и оливомицина, причем самые яркие блоки гетерохроматина после этой окраски были обнаружены на половых Z- и W- хромосомах [26]. Хромонемная организация хромосом курицы выявляется при окрашивании нитратом серебра или при обработке гиалуронидазой.
Для хромонемы курицы, в отличие от млекопитающих, характерны следующие особенности: малый диаметр витка хромонемной спирали, меньшее число витков на плечо хромосомы и немонотонность спирали. В микрохромосомах хромонемная спираль не обнаружена. Возможно, у них вообще отсутствует надхромонемная организация [25]. В 1992 г. Понс де Леон с сотрудниками получили четкую картину репликационного R-окрашивания. RBA-окраска выявляется при окрашивании акридином оранжевым после введения 5’-бромдезоксиуридина и его включения на этапах раннего или позднего ДНК-синтеза в S-фазе клеточного цикла. Были получены рисунки ранней и поздней R-исчерченности, причем рисунок ранней R-исчерченности соответствовал рисунку, получаемому при G-окрашивании, а рисунок поздней R-исчерченности был обратным. Кроме макрохромосом, отчетливые R-блоки были обнаружены и в группе микрохромосом 8-12,W [24]. Исследования выявили значительную степень гомологии R-, C и G- окрашенных хромосом у двух родственных видов – Gallus domesticus и Coturnix coturnix [27]. С-окрашенные кариотипы перепела Coturnix coturnix и курицы Gallus domesticus очень схожи между собой, но у перепела гетерохроматиновые блоки в центромерных регионах более четко выражены. Кроме того, у Coturnix coturnix короткие плечи аутосомной пары 4 полностью гетерохроматинизированы [27], и терминальные гетерохроматиновые блоки Z-хромосомы более узкие, чем у Gallus domesticus [28]. За исключением трех инверсий в хромосомах 1, 2 и 4 у перепела Coturnix coturnix G-окрашенные макрохромосомы данного вида демонстрируют высокую степень гомологии с таковыми у курицы [27]. Другие авторы отмечают, что у перепела наличествует еще одна инверсия – в Z-хромосоме [28]. Кроме того, у Gallus domesticus хромосомы 16 и 24, а у Coturnix coturnix хромосома 18 содержат позитивные R-диски, причем в хромосомах 16 и 18 соответственно в тех же дисках находятся ядрышкообразующие районы, но хромосома 24 у Gallus domesticus такового района не содержит [27]. Половая W-хромосома домашней курицы относится к группе микрохромосом GGA 10 – GGA 15, в то время как у японского перепела эта хромосома значительно крупнее и по размеру находится между третьей и четвертой хромосомами [27]. На наш взгляд, следовало бы остановиться более подробно на двух вопросах, связанных с изучением генома птиц: биологическая значимость микрохромосом и детерминация пола. Микрохромосомы встречаются в геномах разных видов птиц, большинства видов
рептилий и некоторых примитивных позвоночных. У птиц они могут рассматриваться как продукт минимизации генетического аппарата (поскольку у класса Aves самый маленький геном из наземных позвоночных), редукции повторов в результате процессов «разделения – слияния» согласно предложенной Буртом модели эволюции кариотипов [19]. Считается, что микрохомосомы могут представлять собой минимальные синтенные блоки хромосом. В настоящее время известно по крайней мере четыре древних синтении у птиц, рыб и млекопитающих, дивергировавших не менее 400 миллионов лет тому назад [19]. Долгое время существовали гипотезы, согласно которым функциональная нагрузка макро- и микрохромосом могла быть неравнозначной. Само понятие «микрохромосомы» было введено Оно в 1961 г. Некоторые авторы в 50–60-х годах нашего столетия не считали микрохромосомы истинными хромосомами и даже предлагали для них термин «хромозоиды» [20]. Позднее в работах Шмида и Клемента было показано, что при репликации включение Н3-тимидина происходит как в макро-, так и в микрохромосомы [29, 30]. С использованием светового и электронного микроскопирования не было обнаружено разительного разрыва между макро- микрохромосомами по структуре и поведению в митозе и мейозе. Показано также, что хромосомы обеих групп одинаково окрашиваются по Фельгену и, следовательно, являются ДНК-содержащими структурами [31]. При изучении синаптонемального комплекса хромосом курицы были идентифицированы центромеры на макро- и микрохромосомах [32]. Этими же авторами была показана возможность вовлечения микрохромосом в реципрокные транслокации t (Z; микро) [33]. Структура мейотических бивалентов макро-микрохромосом типа «ламповых щеток» оказалась одинаковой [34]. Окончательно сомнения в том, что микрохромосомы являются полноценными в функциональном отношении, исчезли, когда на них были локализованы гены биологически важных признаков, такие как гены главного комплекса гистосовместимости (МНС), ядрышкообразующего района (ЯОР), кластера генов beta-подобных глобинов, онкогенов и т. п. [35]. У птиц, как и у других позвоночных, имеются короткие последовательности, характеризующиеся высоким содержанием ГЦ- пар – так называемые CpG-островки – короткие (около 1 т. п. н.) последовательности ДНК, как правило, связанные с промоторами генов [36, 37]. Они могут быть легко отделены от тотальной ДНК по высокому содержанию GC пар (65 %) и низкому уровню метилирования [38].