Молекулярная биология, 2020, T. 54, № 6, стр. 975-979

ВВЕДЕНИЕ

Накопление мутаций в различных участках генома эукариот в процессе эволюции неравномерно и зависит от многих факторов. Белоккодирующие последовательности и регуляторные элементы находятся, как правило, под жестким давлением отрицательного отбора. Некодирующие последовательности накапливают мутации с более высокой частотой.

Гормон роста относится к наиболее изученным полипептидным гормонам. Он выполняет ряд жизненно важных функций: отвечает за регуляцию соматического роста и участвует в многочисленных физиологических процессах, включая ионный баланс, липидный и белковый обмен, иммунный ответ, процесс размножения, а также различные аспекты поведения [1, 2]. Белковая последовательность гормона роста позвоночных достаточно консервативна, а кодирующие его гены хорошо изучены во многих таксономических группах и обычно включают 5 экзонов и 4 интрона [3–5]. У большинства позвоночных, в том числе и у некоторых видов рыб (Cypriniformes, Siluriformes), ген гормона роста представлен единственной копией [6, 7]. Гены гормона роста других рыб, в том числе и лососевых, состоят из 6 экзонов и 5 интронов [8–11]. У лососевых рыб ген гормона роста представлен двумя копиями: gh1 и gh2, – что, вероятно, свидетельствует о его дупликации у предковой формы [12]. Структура двух копий гена гормона роста, gh1 и gh2, лососевых сходна. Различия в размере этого гена, как у разных видов, так и между двумя копиями гена одного вида, возникает за счет разной длины интронов [13, 14].

Мы сравнили нуклеотидное разнообразие в каждом экзоне и интроне генов gh1 и gh2 лососевых для выяснения возможных закономерностей эволюции как самого гена, так и особенностей (потенциальных путей) дивергенции в случае появления дуплицированных копий.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Полноразмерные нуклеотидные последовательности генов gh1 и gh2 четырех видов тихоокеанских гольцов рода Salvelinus, использованные в анализе, получены и подробно описаны нами ранее [15–17]. Размещены последовательности в базе данных GeneBank/NCBI под следующими номерами: Salvelinus malma gh1 – KF772972.2, gh2 – KF772976.2; Salvelinus curilus gh1 – KF772971.2, gh2 – KF772975.2; Salvelinus levanidovi gh1 – KF772974.2, gh2 – KF772978.2; Salvelinus taranetzi gh1 – KF772973.2, gh2 – KF772977.2. Последовательности генов гормона роста других видов из семейства Salmonidae взяты из базы данных Gene-Bank/NCBI: Salmo salar (атлантический лосось) gh1 – EU621898.1, gh2 – EU621899.1; Oncorhynchus nerka (нерка) gh1 – U14551.2, gh2 – U14535.2; Oncorhynchus tshawytscha (чавыча) gh1 – EU621900.1, gh2 – EU621901.1. Содержание GC-пар в интронах оценивали с помощью программы MEGA 6.0 [18]. Анализ нуклеотидного разнообразия был выполнен в программе DnaSP 5.10.01 [19].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные данные по нуклеотидному разнообразию для каждого экзона и интрона паралогичных генов гормона роста и их длины приведены в табл. 1 и 2. Как мы и ожидали, короткие экзоны оказались менее вариабельными. Так, в случае гена gh1 первый (74 п.н.) и шестой (63 п.н.) экзоны практически не содержали нуклеотидных замен. В остальных экзонах гена gh1: втором (140 п.н.), третьем (117 п.н.), четвертом (156 п.н.) и пятом (147 п.н.) ‒ нуклеотидное разнообразие было выше, но при этом примерно одинаковое ‒ от 0.018 до 0.029 (табл. 1).

Иная картина наблюдается в случае паралогичного гена gh2. Наименьшая изменчивость отмечается, как и в случае гена gh1, для шестого экзона, немного более изменчив третий экзон. Остальные экзоны гена gh2, в том числе и первый, характеризуются в 3–4 раза более высоким уровнем изменчивости.

На основании анализа нуклеотидных последовательностей интронов паралогов gh1 и gh2 можно сделать вывод, что уровень их изменчивости не зависит от длины (табл. 2).

Консервативность первого и шестого экзонов в генах гормона роста лососевых рыб может определяться не длиной, а функциональной значимостью. Первый экзон этого гена кодирует нетранслируемую лидерную последовательность от точки начала транскрипции до стартового кодона ATG и транслируемую область длиной 10 п.н., которая включает первые три кодона и первый нуклеотид четвертого кодона сигнального пептида, отщепляемого после трансляции при созревании функционального белка. Высокая консервативность этого экзона очевидна, так как лидерная последовательность включает в себя важные функциональные элементы, необходимые для эффективной инициации трансляции: участки внутренней посадки рибосомы, внутренние открытые рамки считывания, железозависимые элементы и др. [20]. Консервативность шестого экзона определяется, вероятно, участием кодируемого им фрагмента в правильной укладке полипептидной цепи после трансляции. Считается, что для этого процесса важно наличие двух остатков цистеина в этой области белка [21].

Относительная консервативность остальных экзонов в генах гормона роста лососевых определяется тем, что значительная часть, кодируемой ими аминокислотной последовательности участвует в формировании вторичной структуры ‒ образовании α-спиралей. В тоже время допускаются синонимичные замены нуклеотидов, не приводящие к заменам аминокислот.

Относительно высокий уровень изменчивости экзонов гена gh2 у лосососевых рыб по сравнению с геном gh1 может быть обусловлен снижением давления очищающего отбора, допускающего субфункционализацию генов в эволюции.

Уровень изменчивости в том или ином участке гена напрямую связан со скоростью накопления мутаций, а именно со скоростью дивергенции в процессе эволюции. Особенно это касается некодирующих последовательностей, таких как интроны, где давление очищающего отбора снижено.

Имеющиеся в литературе данные по изменчивости и дивергенции интронов противоречивы. Gazave с соавт. [22] сравнили интронные участки многих ортологичных генов человека и шимпанзе и нашли строгую положительную корреляцию между длиной интронов и их дивергенцией, а также строгую отрицательную корреляцию между длиной интронов и содержанием GC-пар. Кроме того, авторы утверждают, что скорость дивергенции зависит от порядкового номера интрона в гене. Haddrill с соавт. [23] сравнили 225 интронных участков в геномах Drosophila melanogaster и D. simulans и выявили строгую отрицательную корреляцию между длиной интронов и их дивергенцией и между дивергенцией интронов и содержанием GC-пар.

В нашем случае последовательности интронов, как и ожидалось, оказались более изменчивы, чем экзонов. Однако в генах гормона роста лососевых практически не наблюдается связи между уровнем изменчивости интронов и их длиной. Лишь в гене gh1, в самом коротком интроне B, эта величина примерно в 1.5 раза ниже, чем в других интронах (табл. 2). В гене gh2 слабо изменчивым оказался интрон С – не самый короткий из интронов. Ранее мы обнаружили вероятные регуляторные последовательности в интронах С и D, и эти элементы действительно консервативны [18]. Тем не менее консервативность этих коротких участков не сказывается на общем уровне изменчивости. Также мы не обнаружили связи между содержанием GC-пар и уровнем изменчивости, но это может быть связано со сходным содержанием GC-пар во всех интронах (табл. 3).

Ранее Comeron и Kreitman предполагали [24], что степень очищающего отбора по экзонам коррелирует с изменчивостью прилежащих к ним интронных участков по механизму интерферирующего отбора. Полученные нами данные не подтверждают этой гипотезы (табл. 1, 2).