1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия биологическая
  4. № 2, 2022

Известия РАН. Серия биологическая, 2022, № 2, стр. 115-126

Изменчивость полипептида цитохрома b красно-серой полевки (Craseomys rufocanus)

В. В. Переверзева 1, *, Н. Е. Докучаев 1, А. А. Примак 1, Е. А. Дубинин 1

1 Институт биологических проблем Севера ДВО РАН
685000 Магадан, ул. Портовая, 18, Россия

* E-mail: vvpereverzeva@mail.ru

Поступила в редакцию 19.03.2020
После доработки 28.05.2021
Принята к публикации 01.07.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

На основании собственных и заимствованных из доступных источников данных рассматривается полиморфизм полипептида цитохрома b красно-серой полевки (Craseomys rufocanus Sundevall, 1846) в популяциях Северо-Восточной Азии. Обнаружено 27 изоформ аминокислотной последовательности фермента. Проведен сравнительный анализ частот вариантов цитохрома b в выборках красно-серой полевки. В модели вторичной структуры энзима определена локализация аминокислотных замен. Методы TreeSAAP-анализа, Снита, Бачинского и Грэнтсема достоверно подтверждают консервативный тип аминокислотных замен, что свидетельствует о действии стабилизирующего отбора, направленного на сохранение двух физико-химических свойств у ряда вариантов полипептида.

Ключевые слова: красно-серая полевка, Craseomys rufocanus, ген цитохрома b (cytb), изоформы фермента цитохрома b (Cytb), генетическое разнообразие, филогенетический анализ

В области молекулярной филогеографии различных видов млекопитающих широко используются данные о полиморфизме нуклеотидной последовательности гена цитохрома b (сytb) (Abramson et al., 2012; Богданов и др., 2015; Малярчук и др., 2015а, 2015б; Kohli et al., 2015; Petrova et al., 2015; Faerman et al., 2017; Григорьева и др., 2018; Ялковская и др., 2018). При этом изменчивость аминокислотного строения фермента цитохрома b (Сytb) почти не изучена (Малярчук, 2011; Переверзева и др., 2016, 2020). Ранее обсуждалась возможность адаптивной эволюции митохондриальных ферментов, основанной на изменении биоэнергетики митохондрий, которая может определять вектор внутривидовой дифференциации (Gershoni et al., 2009). В отношении некоторых видов северных животных было показано, что под влиянием адаптации процесс внутривидовой дивергенции редко сопровождается радикальными аминокислотными заменами, возникающими в полипептиде Сytb (Малярчук, 2011). У Сlethrionomys rutilus обнаружен высокий уровень полиморфизма фрагмента (253 аминокислоты) Сytb (Переверзева, Примак, 2016; Переверзева и др., 2020). В ходе предварительного исследования было найдено, что большинство замен в нуклеотидной последовательности сytb у Craseomys rufocanus являются синонимичными, но часть выявленных мутаций обусловливает изменение аминокислотной последовательности полипептида Сytb (Переверзева и др., 2016). Цель настоящей работы – провести развернутый анализ полиморфизма аминокислотной последовательности фермента Cytb в разных популяциях красно-серой полевки, населяющих Северо-Восточную Азию.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Ранее нами был проанализирован полиморфизм полной нуклеотидной последовательности гена cytb красно-серой полевки в ряде популяций Северного Приохотья, бассейна р. Колыма и Чукотки (Переверзева и др., 2016, 2018). В настоящей работе на основании компьютерных программ MEGA 10.0.4 (Tamura et al., 2013) и TreeSAA (Woolley et al., 2003) исследовали полиморфизм полной аминокислотной последовательности полипептида Cytb. Исследовали 235 экз. красно-серых полевок из 6 островных и 7 материковых локальностей Магаданской области и Чукотки (табл. 1).

Таблица 1.

Характеристика выборок красно-серой полевки из популяций Магаданской области и Чукотки

Места сбора материала Объем выборок Число cytb- гаплотипов Число изоформ
полипеп-тида Cytb
Северное
Приохотье 		Острова Тауйской губы: L S t
Спафарьева 7 32 10.5 5 1 1
Талан 7 1.6 10 13 1 1
Недоразумения 2.2 4.5 7 19 3 2
Завьялова 19 116 13 48 9 6
Вдовушка 0.2 0.04 5–6 10 1 1
Умара 1.5 0.3 5–6 24 1 1
п-ов Старицкого 23 4 3
п-ов Кони 24 11 3
бассейн реки Дукча 35 12 5
бассейн реки Челомджа 13 5 3
бассейн реки Гижига 3 3 3
Бассейн
реки Колыма 		35 км ниже поселка Дебин 16 11 7
Чукотка побережье Анадырского лимана 2 2 1
Всего: 235 64 37

Примечание. L – удаленность острова от материка (км); S – площадь острова (км2); t – время отделения острова от материка (тыс. л. н.)

Гаплотипы гена cytb красно-серых полевок бассейна Колымы и материковой части Северного Приохотья обозначены аббревиатурой KСPcb, о. Талан – ТKСPcb1, о. Спафарьева – СKСPcb1, о. Умара – УKСPcb1, о. Завьялова – ЗKСPcb1-ЗKСPcb9 и Чукотки – АKСPcb (GenBank №№ KR059876-KR059903; KX082722-KX082750). Для проведения филогенетического анализа, помимо собственных данных, из GenBank были взяты сведения о полной нуклеотидной последовательности гена cytb 13-ти красно-серых полевок из различных популяций Дальнего Востока и Восточной Сибири – №№ GenBank HM165372 (Китай, Liu et al., 2012); AB675444-AB675446 (о. Сахалин), AB675447-AB675449 (окрестности г. Иркутска), AB676833-AB676836 (о. Хоккайдо, Япония) (Kariwa et al., 2012 не опубликовано); AY309412 (Cook et al., 2004 окрестности г. Магадана); AB031580 (Iwasa et al., 2000 окрестности г. Магадана). Принадлежность исследуемых cytb-гаплотипов к гаплогруппам проводили в соответствии с классификацией, предложенной Н.И. Абрамсон (Abramson et al., 2012). Для определения степени полиморфизма нуклеотидных последовательностей cytb-гаплотипов, кодирующих у красно-серых полевок варианты энзима FKCP1-FKCP3, в пакете программ ARLEQUIN рассчитанные индексы молекулярного разнообразия (π, h и Pi). Картирование гена cytb проводили относительно полной нуклеотидной последовательности мтДНК C. rufocanus GenBank № KT725595 (Lu et al., 2015). В качестве внешней группы использовали последовательность нуклеотидов гена cytb C. rutilus GenBank № JX477342.

Сайты несинонимичных нуклеотидных замен и аминокислотные последовательности обнаруженных вариантов полипептида Cytb определяли в программе MEGA. Для кластерного анализа cytb-гаплотипов построено филогенетическое дерево по методу максимального правдоподобия (ML) с использованием бипараметрической модели Кимуры, учитывающей разную вероятность транзиций и трансверсий и выбранной с помощью байесовского информационного критерия. Оценку устойчивости узлов ветвления осуществляли бутстреп-методом (1000 итераций), позволяющим оценить надежность обособления клад. ML-метод построения дерева дает возможность получить максимально правдоподобный вариант филогенетических отношений между исследуемыми последовательностями нуклеотидов.

В работе применяется однобуквенное обозначение аминокислот, рекомендуемое ИЮПАК (IUPAC). Топология аминокислотных замен в пространственной конфигурации фермента Cytb дана в соответствии с представленными в публикациях (Howell et al., 1989; Irwin et al., 1991; McClellan et al., 2005). Для оценки адаптивности изменений в гене cytb использована программа TreeSAAP, которая определяет селективные воздействия в процессе кладогенеза на 31 структурное и биохимическое физико-химическое свойство аминокислот с использованием z-теста (Woolley et al., 2003). Это позволяет оценить замены аминокислот в восьми категориях значимости (mc) и определить тип отбора: при стабилизирующем отборе сохраняются консервативные аминокислотные замены (mc = 1-mc = 3 при z > 3.09, P < 0.001), а при движущем – радикальные (mc = 6-mc = 8 при z > 3.09, P < 0.001).

Характер выявленных аминокислотных замен в полипептидной последовательности фермента Cytb красно-серой полевки также оценивали методами Снита, Бачинского и Грэнтсема (Бутвиловский и др., 2009). В основе метода Снита лежит анализ физико-химических свойств аминокислот. Количественно оцененным физико-химическим свойствам присваиваются числовые значения и подразделяют их на классы. Коэффициент Снита характеризует степень подобия аминокислот и рассчитывается по определенной формуле. Метод Бачинского основан на анализе числа замен аминокислот в семействах изофункциональных белков. В результате анализа определена “функциональная близость аминокислот” – степень взаимозаменяемости в белке одной аминокислоты на другую. Метод Грэнтсема учитывает характеристики боковых радикалов аминокислот: элементный состав, полярность и объем. Во всех трех методах замене одной аминокислоты на другую присваивается коэффициент. В каждом методе консервативные и радикальные замены разделены пороговым значением соответствующего коэффициента (по Сниту – 0.416; по Бачинскому – 12.4; по Грэнсему – 57.9). При большем значении коэффициента – замена консервативная, при меньшем – радикальная (Бутвиловский и др., 2009).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В нуклеотидных последовательностях гена сytb мтДНК 235-ти красно-серых полевок Магаданской области и Чукотки было выявлено 73 замены, определяющие 53 сytb-гаплотип. Доля вариабельных позиций составляла 0.0630 от общей длины гена cytb. Соотношение синонимичных/несинонимичных нуклеотидных замен соответствовало 0.7945/0.2055. Доля транзиций в первой позиции триплета 0. 2192 (0.1233 несинонимичные). Все транзиции во второй позиции (доля – 0.0548) приводят к аминокислотным заменам. Транзиции в третьей позиции триплета (0.6164) синонимичные. Доля трансверсий в первой 0.0411 (0.0137 – несинонимичные) и третьей 0.0685 (0.0137 – несинонимичные) позиции триплета. С учетом полных нуклеотидных последовательностей красно-серых полевок, представленных в GenBank, в общей сложности у 248 образцов найдено 106 замен, кодирующих 65 сytb-гаплотипов. В совокупной выборке отношение синонимичных/несинонимичных нуклеотидных замен составляет 0.8019/0.1981. Доля транзиций в первой позиции триплета 0.1698 (0.1132 несинонимичные). Все транзиции во второй позиции (доля – 0.0472) несинонимичные. Транзиции в третьей позиции (0.7264) синонимичные. Доля трансверсий в первой позиции 0.0283 (несинонимичных 0.0094) и третьей 0.0754 (несинонимичных 0.0094). Полученные результаты не противоречат данным о соотношении транзиций и трансверсий и обычном распределении нуклеотидных замен в триплетах (Nei, 1987; Hassanin et al., 1998; Nei, Kumar, 2000). С использование пакета программ MEGA у 235-ти красно-серых полевок Магаданской области и Чукотки также определено 21 изоформа аминокислотной последовательности Сytb, которые различаются 16 аминокислотными заменами. С учетом полных нуклеотидных последовательностей красно-серых полевок, взятых из GenBank, у 348 образцов найдено в общей сложности 27 полиморфных аминокислотных последовательностей, различающихся 20 заменами (рис. 1). В табл. 2 и 3 приведены доли вариантов полипептида Сytb у C. rufocanus в выборках из исследованных популяций красно-серых полевок Северного Приохотья и бассейна р. Колыма.

Рис. 1.

Аминокислотные замены в изоформах полипептида цитохрома b у красно-серой полевки. Замены представлены относительно аминокислотной последовательности варианта FKCP1. Сайты замен показаны от начала полипептида цитохрома b.

Таблица 2.

Доля изоформ полипептида цитохрома b у красно-серых полевок в выборках из островных популяций Северного Приохотья

Изоформа полипептида Острова Тауйской губы
Спафарьева Талан Недоразумения Завьялова Вдовушка Умара
FKCP1 0.0000 0.0000 0.2223 0.0000 1.0000 0.0000
FKCP2 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1.0000
FKCP3 0.0000 0.0000 0.0000 0.3958 0.0000 0.0000
FKCP5 0.0000 0.0000 0.7778 0.0000 0.0000 0.0000
FKCP6 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
FKCP11 0.0000 0.0000 0.0000 0.1667 0.0000 0.0000
FKCP12 0.0000 0.0000 0.0000 0.2708 0.0000 0.0000
FKCP16 0.0000 0.0000 0.0000 0.0833 0.0000 0.0000
FKCP17 0.0000 0.0000 0.0000 0.0208 0.0000 0.0000
FKCP18 0.0000 0.0000 0.0000 0.0625 0.0000 0.0000
FKCP19 1.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
Таблица 3.

Доля изоформ полипептида цитохрома b у красно-серых полевок в выборках из материковых популяций Магаданской области

Изоформа полипептида Материковая часть Северного Приохотья Бассейн
реки Колыма
Полуостров Старицкого Полуостров Кони Бассейн
реки Дукча 		Бассейн
реки Челомджа 		Бассейн
Реки Гижига
FKCP1 0.9000 0.9167 0.6857 0.8461 0.3333 0.2500
FKCP2 0.0000 0.0000 0.1714 0.0769 0.0000 0.0625
FKCP3 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.1875
FKCP4 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.1250
FKCP5 0.0500 0.0000 0.0857 0.0000 0.0000 0.0000
FKCP7 0.0000 0.0000 0.0000 0.0769 0.0000 0.0000
FKCP8 0.0500 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
FKCP9 0.0000 0.0417 0.0000 0.0000 0.0000 0.1875
FKCP10 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0625
FKCP11 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.1250
FKCP13 0.0000 0.0417 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
FKCP14 0.0000 0.0000 0.0286 0.0000 0.0000 0.0000
FKCP15 0.0000 0.0000 0.0286 0.0000 0.0000 0.0000
FKCP20 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.3333 0.0000
FKCP21 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.3333 0.0000

Ранее было показано, что у красно-серых полевок Северного Приохотья, бассейна р. Колыма и Анадырского лимана в совокупности найдено 31 гаплотип субклады С2 и 22 гаплотипа С1-вариантов cytb (Переверзева и др., 2018).

Обнаруженные у C. rufocanus Северного Приохотья 26 С2-гаплотипов кодируют 12 вариантов полипептида Сytb (FKCP1-FKCP3, FKCP5-FKCP7, FKCP9-FKCP11, FKCP13-FKCP15), 16 гаплотипов субклады С1 определяют аминокислотную последовательность 13 изоформ фермента (FKCP1-FKCP4, FKCP11, FKCP12, FKCP16-FKCP21). В аминокислотной последовательности cytb красно-серых полевок Северного Приохотья суммарно определено 15 замен.

У C. rufocanus бассейна Колымы обнаружено 8 вариантов гена cytb, относящихся к субкладе С2, которые определяют 6 вариантов полипептида Сytb (FKCP1-FKCP3, FKCP9-FKCP11) и 2 cytb-гаплотипа сублинии С1, кодирующие изоформу FKCP4 полипептида Сytb. Гаплотип KСPcb18 (содержит информацию об аминокислотной последовательности варианта FKCP2) является связующим звеном между этими подгруппами. В общей сложности аминокислотное строение полипептида Сytb полевок бассейна Колымы разнится шестью аминокислотными заменами.

У красно-серых полевок, отловленных на Чукотке, 2 гаплотипа субклады С1 кодируют вариант аминокислотной последовательности FKCP1.

Результаты детекции филогенетических связей гаплотипов представлены на ML-дендрограмме (рис. 2). Наличие двух крупных кластеров с высокими значениями бутстреп-индексов обусловлено генетической обособленностью С1 и С2 сублиний красно-серых полевок. Кластеры полиморфны по структуре и подразделяются на субкластеры, часть из которых имеет значимые (>50%) бутстреп-индексы в узлах ветвления. В гаплогруппе С2 наиболее значительную бутстреп-поддержку имеют две субклады. Бутстреп-индекс 95% у ветви, образованной нуклеотидными последовательностями красно-серых полевок отловленных в бассейнах рек Челомджи KCPcb7 (кодирует FKCP7) и Колымы KCPcb16 (кодирует FKCP10). Бутстреп-индекс 96% у субклады, сформированной образцами АВ675447 и АВ675448 (кодирующих FKCP1) мтДНК особей, добытых в окрестностях г. Иркутска. Ветви остальные исследованных нуклеотидных последовательностей красно-серых полевок Магаданской области, окрестностей Иркутска (АВ675449, кодирует FKCP27) и о. Хоккайдо (AB676833 и AB676834 кодируют FKCP1; AB676835 кодирует FKCP23) столь значимой поддержки не имеют. В гаплогруппе С1 бутстреп-индекс 83% у субклады, образованной cytb-гаплотипами KCPcb20 и KCPcb21 (кодируют FKCP4) красно-серых полевок, отловленных в бассейне р. Колымы. Бутстреп-индекс 68% имеет субклада, образованная гаплотипами KCPcb25 (кодирует FKCP2; особь отловлена в устье р. Дукча) и KCPcb29 (кодирует FKCP1, экземпляр добыт на п-ове Кони). Единую компактную субкладу с бутстреп-индексом 58% формируют нуклеотидные последовательности особей о. Завьялова ZKCPcb1-ZKCPcb9. Остальные С1-нуклеотидные последовательности KCPcb28, KCPcb31 (отловлены на п-ове Кони) и АKCPcb1 и АKCPcb2 (кодируют FKCP1); СKCPcb1 (кодирует FKCP19) и KCPcb23 (добытый в бассейне р. Гижига, кодирует FKCP21) значимых различий не имеют.

Рис. 2.

ML-филогенетическое дерево, построенное по данным об изменчивости нуклеотидной последовательности гена цитохрома b мтДНК красно-серой полевки. На ветвях указаны бутстреп-индексы (>50%). С1, С2, B1, D – генетические субклады.

Представленный в GenBank образец HM165372 (кодирует FKCP22) отловленного в Китае экземпляра, относится к генетической линии D. Гаплотипы добытых на о. Сахалине красно-серых полевок АВ675444-АВ675446 (кодируют FKCP24-FKCP26) принадлежит гаплогруппе В1.

У C. rufocanus островных популяций (о-вов Завьялова, Талан, Умара и Спафарьева) вариант энзима Сytb FKCP1 не обнаружен. Однако данная изоформа полипептида превалирует у полевок во всех остальных обследованных локальностях. На островах Талан, Умара и Спафарьева уникальные cytb-гаплотипы ТСPcb1, УKСPcb1 и СKСPcb1 кодируют соответственно варианты энзима FKCP6 (уникальный), FKCP2 (присутствует и у особей из бассейнов рек Дукча, Челомджа и Колыма) и FKCP19 (уникальный) (табл. 2, рис. 2). У полевок, отловленных на о. Завьялова, найдено шесть вариантов Сytb, кодируемые девятью уникальными cytb-гаплотипами: ЗКСРcb1 и ЗКСРcb6 содержат информацию о строении полипептидной последовательности FKCP12; ЗКСРcb2, ЗКСРcb3 и ЗКСРcb9 кодируют FKCP3; ЗКСРcb4 – изоформу FKCP11; ЗКСРcb5 – вариант FKCP16; ЗКСРcb7 – FKCP17 и гаплотип ЗКСРcb8 – аминокислотную последовательность Cytb FKCP18 (рис. 2). Полипептиды FKCP12, FKCP16-FKCP18 обнаружены только у полевок, отловленных на о. Завьялова. Варианты FKCP3 и FKCP11 найдены также с достаточной частотой у экземпляров из бассейна Колымы (табл. 3). Следует отметить, что C. rufocanus – единственный вид полевок на этом острове, достигающий высокой численности и заселивший практически все его биотопы (Докучаев, 2012). Уровень полиморфизма полипептида Сytb соответствует таковому в материковых популяциях: в выборке красно-серых полевок из бассейна Колымы найдено семь вариантов изоформ этого фермента, а в остальных – от трех до пяти (табл. 3).

Ранее было показано, что cytb-генофонд красно-серых полевок о-вов Недоразумения и Вдовушка не является уникальным (Переверзева и др., 2018). Варианты полипептидов FKCP1 и FKCP5 обнаружены не только у полевок с этих островов (табл. 2), но и на п-ове Старицкого и в бассейнах рек Дукча и Челомджа (табл. 3). Изоформа FKCP1 кодируется гаплотипами KСPcb1 и KСPcb11 у особей о. Недоразумения и KСPcb2 у экземпляров о. Вдовушка (рис. 2). Полипептид FKCP5 определяется нуклеотидной последовательностью KСPcb22 красно-серых полевок о. Недоразумения (рис. 2). У полевок о. Недоразумения соотношение доли полипептидных последовательностей FKCP1/FKCP5 = 0.2222/0.7778.

По-видимому, длительное время изоляции способствовало накоплению витальных мутаций в митохондриальном геноме генофондов островных популяциях полевок. Площадь островов обуславливает численность обитающих на их территориях особей, от которой зависит интенсивность стохастических процессов в обособленных популяциях.

У C. rufocanus, отловленных на п-ове Старицкого, обнаружены KСPcb1-KСPcb4 cytb-гаплотипы подгруппы С2 (Переверзева и др., 2018). Варианты KСPcb1 и KСPcb2 кодируют наиболее распространенный полипептид FKCP1. Нуклеотидные последовательности KСPcb3 и KCPcb4 определяют соответственно изоформы фермента FKCP5 и FKCP8 (найден только на п-ове Старицкого) (рис. 2).

В выборке красно-серых полевок из бассейна р. Дукча определены 12 cytb-гаплотипов, 11 из которых относятся к субкладе С2 (Переверзева и др., 2018). Нуклеотидные последовательности субклады С2 KСPcb1, KСPcb2, KСPcb19, KСPcb26, KСPcb27, KСPcb38 и KСPcb39 кодируют аминокислотную последовательность FKCP1. Варианты субклады С2 KСPcb36 и FKCP37 кодируют соответственно полипептиды FKCP16 и FKCP17. Изоформу фермента FKCP2 определяют cytb-гаплотипы KСPcb24 (субклады С2) и KСPcb25 (субклады С1) (рис. 2).

У красно-серых полевок с п-ова Кони найдено 11 вариантов cytb. Гаплотипы субклады С2 KСPcb1, KСPcb19, KСPcb30, KСPcb32, KСPcb34, KСPcb35 и субклады С1 KСPcb28, KСPcb29 и KСPcb31 определяют аминокислотную последовательность FKCP1. Варианты субклады С2 KСPcb15 и KСPcb33 кодируют соответственно изоформы FKCP9 и FKCP13 (рис. 2).

У C. rufocanus, отловленных в бассейне р. Челомджа, обнаружено 5 С2-cytb-гаплотипов. Варианты KСPcb1, KСPcb5 и KСPcb8 кодируют FKCP1. Гаплотипы KСPcb6 и KСPcb7 несут информацию о полипептидах FKCP2 и FKCP7 соответственно (рис. 2).

В бассейне р. Гижига у 3-х отловленных красно-серых полевок найдено 3 С1-cytb-гаплотипа. Вариант KСPcb9 кодирует FKCP1, KСPcb10 и KСPcb23 аминокислотные последовательности FKCP20 и FKCP21. Полученный результат косвенно свидетельствует о высоком уровне полиморфизма данной популяции.

Следует отметить, что в материковых популяциях C. rufocanus не наблюдается корреляции между количеством cytb-гаплотипов и числом кодируемых вариантов энзима Сytb (табл. 1). Три изоформы полипептида Сytb кодируются от трех (бассейн р. Гижига) до одиннадцати (п-ов Кони) гаплотипами. Можно предположить, что данный факт иллюстрирует действие микроэволюционных процессов в исследованных популяциях.

Отдельно рассмотрены варианты cytb, определяющие аминокислотное строение наиболее распространенных последовательностей FKCP1, FKCP2 и FKCP3, относящихся к разным субкластерам субклад С1 и С2 (рис. 2). Генетическая дифференциация этих гаплотипов подтверждается высокими значениями соответствующих бутстреп-индексов, что показывает дивергенцию строения нуклеотидных последовательностей этих вариантов мтДНК. На рис. 3 показаны сайты нуклеотидных замен гаплотипов, которые кодируют данные изоформы полипептида Сytb. Было найдено, что 20 гаплотипов сублинии С2, кодирующие наиболее распространенный вариант энзима Сytb FKCP1, различаются между собой 35 нуклеотидными заменами; 6 гаплотипов субклады С1, кодирующие FKCP1, разнятся 9 нуклеотидными заменами. В общей сложности варианты нуклеотидной последовательности генетической линии С, несущей информацию о полипептиде FKCP1, различаются между собой по 48 локусам.

Рис. 3.

Гаплотипы гена цитохрома b FKCP1-, FKCP2- и FKCP3-особей красно-серой полевки генетических субклад С1 и С2. Нуклеотидные замены представлены относительно нуклеотидной последовательности варианта KCPcb1. Сайты замен показаны от начала гена цитохрома b.

Изоформа фермента FKCP2 кодируется тремя cytb-гаплотипами субклады C2, разнящимися двумя нуклеотидными заменами и двумя cytb-гаплотипами сублинии С1, которые различаются по шести локусам. Общее количество нуклеотидных замен у FKCP2-cytb-гаплотипов составляет 13 сайтов. У всех FKCP2-особей присутствует транзиция в первой позиции кодона G67A, которая и приводит к аминокислотной замене А23Т. Данное замещение определяет отличие полипептида FKCP2 от FKCP1 (рис. 1).

Два С2-cytb-гаплотипа, определяющие вариант полипептида FKCP3, различаются двумя нуклеотидными заменами, три С1-cytb-варианта отличаются по двум сайтам. В общей сложности cytb-гаплотипы генетической линии С, кодирующие FKCP3, разнятся по 14 заменам. Транзиция по первому нуклеотиду кодона в G304A, присутствующая в нуклеотидной последовательности всех FKCP3-cytb-гаплотипов, определяет замену V102I, отличающую аминокислотную последовательность изоформы FKCP3 от FKCP1 (рис. 1).

Индексы молекулярного разнообразия (табл. 4) показывают уровень полиморфизма нуклеотидных последовательностей cytb-гаплотипов, кодирующих у красно-серых полевок варианты энзима FKCP1-FKCP3. Полученные высокие значения индексов нуклеотидного (π) и гаплотипического (h) разнообразия, а также среднего числа попарных различий между гаплотипами (Pi), которые кодируют одинаковые изоформы полипептида, свидетельствуют о значительном полиморфизме нуклеотидных последовательностей FKCP1-FKCP3-гаплотипов cytb.

Таблица 4.

Индексы молекулярного разнообразия в выборках FKCP1-FKCP3 красно-серых полевок Магаданской области, Чукотки, Иркутска и Японии

Объединенная совокупность FKCP красно-серых полевок N V Pi ± sd π ± sd h ± sd
FKCP1 103 48 5.1776 ± 2.5274 0.0045 ± 0.0024 0.8412 ± 0.0259
FKCP2 32 14 1.6391 ± 0.9926 0.0014 ± 0.0010 0.4234 ± 0.0995
FKCP3 22 14 3.6190 ± 1.9072 0.0032 ± 0.0019 0.7532 ± 0.0572

Примечание. N – число носителей модификации полипептида; V – число вариабельных сайтов в нуклеотидной последовательности гена cytb мтДНК; Pi – среднее число попарных различий между гаплотипами; π – нуклеотидное разнообразие; h – гаплотипическое разнообразие; sd – стандартное отклонение.

С учетом данных GenBank об аминокислотной последовательности фермента Сytb у C. rufocanus Восточной Сибири, Дальнего Востока и Японии, в общей сложности обнаружено 27 вариантов полипептида, которые разнятся 20 аминокислотными заменами (рис. 1). Варианты полипептида FKCP2-FKCP27 отличаются от аминокислотной последовательности FKCP1 от 1 до 4 сайтов. Следует отметить, что ряд замен присутствуют в нескольких вариантах полипептида. В последовательности аминокислот полипептида FKCP2 имеет место единственное замещение А23Т. Однако, в числе прочих, данная замена найдена в изоформах FKCP4, FKCP11, FKCP16, FKCP18, FKCP20, FKCP21 и не идентифицирована у особей, отловленных в Китае, Японии, в окрестностях Иркутска и на о. Сахалин. Замена V102I определена у всех особей о. Завьялова (FKCP3, FKCP11, FKCP12, FKCP16-FKCP18), у части полевок с п-ова Кони (FKCP9) и бассейна Колымы (FKCP3, FKCP9, FKCP11) (табл. 3 и 4, рис. 1). Замена I42T присутствует в FKCP7 и FKCP10; T67A в FKCP7 и FKCP16; S213P в FKCP8 и FKCP17; M299L в FKCP12, FKCP16, FKCP18 и FKCP27 (АВ675449, Иркутск); А316Т в FKCP4, FKCP14, FKCP15 и FKCP25 (АВ675445, о. Сахалин); T327I в FKCP5 и FKCP9. Остальные аминокислотные замены, найденные у исследованных красно-серых полевок, уникальны и у представленных в GenBank образцах не обнаружены. Замена Т353А присутствует только у особей, отловленных на о. Сахалин (АВ675444-АВ675446), что может являться следствием микроэволюционных процессов, протекающих на изолированной территории.

Энзим Сytb относится к трансмембранным ферментам и имеет два окислительно-восстановительных центра: участок Qo связан с внешней поверхностью мембраны митохондрии, Qi – с внутренней. При сравнительном анализе строения молекулы Сytb различных видов животных было показано, что трансмембранные домены наиболее вариабельны, а петлевые участки активного центра Qo – самые консервативные (Kocher et al., 1989; Irwin et al., 1991; McClellan et al., 2005). В вариантах FKCP1-FKCP27 аминокислотные замены обнаружены как в трансмембранных, так и в петлевых участках фермента (рис. 4). У красно-серых полевок С1-клады найдено по две замены в промежуточных по вариабельности сайтах каталитического центра Qi и в гипервариабельном участке трансмембранного домена G. У полевок С2-клады обнаружено по одной аминокислотной замене в промежуточных по вариабельности сайтах активных центров фермента Qo, Qi и гипервариабельных участках трансмембранных доменов С и Е; в домене А в промежуточных по вариабельности сайтах найдено две замены. У красно-серых полевок С1 и С2 клад найдены шесть аминокислотных замещений в одних и тех же сайтах: одна замена в каталитическом центре Qo и две замены в петлевом участке Qi, а также по одной замене в промежуточных по вариабельности участках трансмембранных доменов C, F и G.

Рис. 4.

Локализация аминокислотных замен в структуре фермента цитохрома b красно-серой полевки северо-востока Азии.

Результаты TreeSAAP-анализа, методы Снита, Бачинского и Грэнтсема свидетельствуют, что только у красно-серых полевок о. Завьялова замена V102I (изоформы FKCP3, FKCP11, FKCP12, FKCP16-FKCP18) достоверно консервативная. TreeSAAP-анализ показал, что транзиция G304A в первой позиции кодона, обуславливающая данную аминокислотную замену, имеет кладообразующий характер (бутстреп-индекс 58) для всех cytb-гаплотипов (субклада С1) красно-серых полевок данного острова. Два физико-химических свойства (энергия дальнего взаимодействия и среднее квадратическое отклонение размаха колебаний) замены V102I находятся под действием стабилизирующего отбора (z-тест: mc = 1; P < 0.001). Значения коэффициентов по Сниту – 0.843; по Бачинскому – 35, по Грэгсему – 86. Полученные результаты позволяют предположить, что закрепление транзиции G304A в генофонде популяций произошло в результате действия стабилизирующего отбора. Кроме того, на территории, ставшей впоследствии островом Завьялова, по-видимому, находились полевки, у которых в 102 позиции Cytb находился изолейцин. В результате либо эффекта основателя, либо синергии стохастических процессов и стабилизирующего отбора в изолированной островной популяции подобные особи стали составлять 100% населения.

Следует отметить, что V102I присутствует также в полипептидах C2-особей FKCP3 (KCPcb12, KCPcb13) и FKCP11 (KCPcb17), отловленных в бассейне Колымы и FKCP9 (KCPcb15), обнаруженных на п-ове Кони. Уникальные варианты энзима Cytb FKCP6 (о. Талан, кодируется С2-cytb-гаплотипом TKCPcb1) и FKCP19 (о. Спафарьева, кодируется С1-cytb-гаплотипом СKCPcb1) содержат замены F333L (z-тест: mc = 2, P < 0.001) и D380N (z-тест: mc = 1, P < 0.001). Однако гаплотипы, кодирующие эти варианты Cytb, не имеют достоверной бутстрэп-поддержки и кладообразующего характера на ML-дереве. По-видимому, их закрепление в генофонде в данных популяций обусловлено стохастическими процессами и не связано с действием отбора. Методами Снита, Бачинского и Грэнтсема F333L и D380N определены как консервативные. Для замены F333L соответствующие коэффициенты 0.570; 16 и 86, а для D380N – 0.637; 27 и 86.

Анализ остальных аминокислотных замен с помощью методов Снита, Бачинского и Грэнтсема показал отсутствие радикальных замен, подтвержденных всеми тремя алгоритмами, и обозначил возможную нейтральность большинства аминокислотных замещений.

Таким образом, генетический анализ аминокислотной последовательности изоформ Cytb показал высокий уровень полиморфизма данного полипептида у C. rufocanus Северо-Востока Азии. Быстрая смена поколений обуславливает возникновение в нуклеотидной последовательности гена cytb мтДНК большого числа мутаций. Вырожденность генетического кода обеспечивает закрепление в генофонде популяций разных генотипов, кодирующих одинаковые витальные фенотипы. По-видимому, наиболее распространенная в популяциях красно-серых полевок Северо-Восточной Азии изоформа FKCP1 функционально оптимальна для C. rufocanus в экологических условиях этого региона. Фермент Сytb – ключевое звено клеточного дыхания и его строение строго детерминировано действием стабилизирующего отбора, который отсекает все формы полипептида, значительно понижающие функциональную эффективность энзима. Анализ, проведенный четырьмя методами, достоверно подтверждает только консервативный тип аминокислотных замен. По-видимому, взаимодействие высокой мутабильности мтДНК и стабилизирующего отбора сформировали гено- и фенофонд полипептида Сytb C. rufocanus Северо-Восточной Азии.

Финансирование. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ (18-04-00579а).

Список литературы

  1. Богданов А.С., Лебедев В.С., Зыков А.Е., Баклушинская И.Ю. Изменчивость гена цитохрома b и прилежащего участка гена TRNA-THR митохондриальной ДНК у обыкновенной слепушонки Ellobius talpinus (Mammalia, Rodentia) // Генетика. 2015. Т. 51. № 12. С. 1410–1423.

  2. Бутвиловский А.В., Барковский Е.В., Бутвиловский В.Э., Давыдов В.В., Черноус Е.А., Хрусталев В.В. Основные методы молекулярной эволюции / Под общ. ред. проф. Е.В. Барковского. Мн.: Белпринт, 2009. 216 с.

  3. Григорьева О.О., Стахеев В.В., Орлов В.Н. Митохондриальные свидетельства прошлого рефугиального распространения малой лесной мыши Sylvaemus uralensis Pall. (RODENTIA, MURIDAE) на Северо-Западном Кавказе // Генетика. 2018. Т. 54. № 3. С. 326–334.

  4. Докучаев Н.Е. Млекопитающие // Остров Завьялова (геология, геоморфология, история, археология, флора и фауна). М.: ГЕОС, 2012. С. 183–192.

  5. Малярчук Б.А. Адаптивная внутривидовая дивергенция (на примере гена цитохрома b животных) // Генетика. 2011. Т. 2011. № 8. С. 1103–1111.

  6. Малярчук Б.А., Деренко М.В., Денисова Г.А., Литвинов А.Н. Топологические конфликты при филогенетическом анализе различных участков митохондриального генома соболя (Martes zibellina L.) // Генетика. 2015а. Т. 51. № 8. С. 1915–923.

  7. Малярчук Б.А., Деренко М.В., Денисова Г.А. Изменчивость митохондриального генома росомахи (Gulo gulo) // Генетика. 2015б. Т. 51. № 11. С. 1291–1296.

  8. Переверзева В.В., Примак А.А. Генетическое разнообразие синонимичных гаплотипов фрагмента гена цитохрома b красной полевки Myodes (Clethrionomys) rutilus (Pallas, 1779) // Генетика. 2016. Т. 52. № 2. С. 189–197.

  9. Переверзева В.В., Примак А.А., Евдокимова А.А. Полиморфизм фермента цитохрома b красно-серой полевки Myodes rufocanus (Sundevall, 1846) Северного Приохотья и бассейна р. Колымы // Матер.III Всеросс. конф. “Геология, география, биологическое разнообразие и ресурсы северо-востока России (к 105-летию со дня рождения А. П. Васьковского)” г. Магадан, СВКНИИ ДВО РАН, 12–14 октября 2016 г. С. 267–269.

  10. Переверзева В.В., Примак А.А., Докучаев Н.Е. Дубинин Е.А., Евдокимова А.А. Изменчивость гена цитохрома b мтДНК красно-серой полевки (Craseomys rufocanus Sundevall, 1846) Северного Приохотья и бассейна р. Колыма // Вестник СВНЦ. 2018. № 1. С. 101–112.

  11. Переверзева В.В., Докучаев Н.Е., Примак А.А., Дубинин Е.А. Полиморфизм цитохрома b красной полевки Clethrionomys rutilus Pallas // Вест. СВНЦ. 2020. № 3. С. 109–119.

  12. Ялковская Л.Э. Зыков С.В. Сибиряков П.А. Генетическая изменчивость желтогорлой мыши (Sylvaemus flavicollis Melch., 1834, MURIDAE, RODENTIA) на восточной границе ареала // Генетика. 2018. Т. 54. № 6. С. 629–638.

  13. Abramson N.I., Petrova T.V., Dokuchaev N.E., Obolenskaya E.V., Lissovski A.A. Phylogeography of the gray red-backed vole Craseomys rufocanus (Rodentia: Cricetidae) across the distribution range inferred from nonrecombining molecular markers // Rus. J. Theriol. 2012. V. 11. № 2. P. 137–156.

  14. Cook J.A., Runck A.M., Conroy C.J. Historical biogeography at the crossroads of the northern continents: molecular phylogenetics of red-backed voles (Rodentia: Arvicolinae) // Mol. Phylogenet. Evol. 2004. V. 30. № 3. P. 767–777.

  15. Faerman M., Bar-Gal G.K., Boaretto E., Boeskorov G.G., Dokuchaev N.E., Ermakov O.A., Golenishchev F.N., Gubin S.V., Mintz E., Simonov E., Surin V.L., Titov S.V., Zanina O.G., Formozov N.A. DNA analysis of a 30.000-year-old Urocitellus glacialis from northeastern Siberia reveals phylogenetic relationships between ancient and present-day arctic ground squirrels // Scie. Reports. 2017. V. 7. P. 42639.

  16. Gershoni M., Templeton A.R., Mishmar D. Mitochondrial bioenergetics as a major motive force of speciation // Bioessays. 2009. V. 31. P. 642–650.

  17. Hassanin A., Lecointre G., Tiller S. Related articles, links abstract. The “evolutionary signal” of homoplasy in protein-coding gene sequences and its consequences for a priori weighting in plylogeny // C.R. Acad. Sci. 1998. V. 321. № 7. P. 611–620.

  18. Howell N. Evolutionary conservation of protein regions in the proton motive cytochrome b and their possible roles in redox catalysis // J. Mol. Evol. 1989. V. 29. P. 157–169.

  19. Irwin D.M., Kocher T.D., Wilson A.C. Evolution of the cytochrome b gene of mammals // J. Mol. Evol. 1991. V. 32. P. 128–144.

  20. Iwasa M.A., Utsumi Y., Nakata K., Kartavtseva I.V., Nevedomskaya I.A., Kondoh N., Suzuki H. Geographic patterns of cytochrome b and Sry gene lineages in the gray red-backed vole, Clethrionomys rufocanus from Far East Asia including Sakhalin and Hokkaido // Zool. Sci. 2000. V. 17. P. 477–484.

  21. Kocher T.D., Thomas W.K., Meyer A., Edwards S.V., Pääbo S., Villablanca F.X., Wilson A.C. Dynamics of mitochondrial DNA evolution in animals: Amplification and sequencing with conserved primers // Proc. Nati. Acad. Sci. USA. 1989. V. 86. P. 6196–6200.

  22. Kohli B.A., Fedorov V.B., Waltari E., Cook J.A. Phylogeography of a Holarctic rodent (Myodes rutilus): testing high-latitude biogeographical hypotheses and the dynamics of range shifts // J. Biogeogr. 2015. V. 42. P. 377–389.

  23. Liu S., Liu Y., Guo P., Sun Z., Murphy R.W., Fan Z., Fu J., Zhang Y. Phylogeny of oriental voles (rodentia: muridae: arvicolinae): molecular and morphological evidence // Zool. Sci. 2012. V. 29. № 9. P. 610–622.

  24. Lu T., Zhu M., Yi C., Si C., Yang C., Chen H. Complete mitochondrial genome of the gray red-backed vole (Myodes rufocanus) and a complete estimate of the phylogenetic relationships in Cricetidae // Mitochondrial DNA, 2015. P. 1–3. In press PUBMED 26709866

  25. McClellan D.A., Palfreyman E.J., Smith M.J., Moss J.L., Christensen R.G., Sailsbery J.K. Physicochemical evolution and molecular adaptation of the cetacean and artiodactyl cytochrome b proteins // Mol. Biol. Evol. 2005. V. 22. P. 437–455.

  26. Nei M. Molecular Evolutionary Genetics. N.Y.: Columbia Univ. Press, 1987. 495 p.

  27. Nei M., Kumar S. Molecular evolution and phylogenetic. N.Y.: Oxford Univ. Press, 2000. 333 p.

  28. Petrova T.V., Zakharov E.S., Samiya R., Abramson N.I. Phylogeography of the narrow-headed vole Lasiopodomys (Stenocranius) gregalis (Cricetidae, Rodentia) inferred from mitochondrial cytochrome b sequences: an echo of pleistocene prosperity // J. Zoolog. System. Evol. Res. 2015. V. 53. P. 97–108.

  29. Tamura K., Stecher G., Peterson D., Filipski A., Kumar S. MEGA-6: Mol. evolutionary genetics analysis version 6.0.2.74 // Mol. Biol. Evol. 2013. V. 30. P. 2725–2729.

  30. Woolley S., Johnson J., Smith M.J., Crandall K.A., McClellan D.A. TreeSAAP: selectionon amino acid properties using phylogenetic trees // Bioinf. Appl. Note. 2003. V. 19. № 5. P. 671–672.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия биологическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал