Функциональное значение базовых свойств структуры генома эукариот

• Автор: Виноградов, Александр Евгеньевич
• Шифр специальности: 03.01.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 175 с. : ил.

Оглавление
Введение

Литературный обзор

Размер генома, конденсация хроматина и размер внутригеномных

элементов

Доля ГЦ-пар, физические свойства ДНК и конденсация

хроматина: внутригеномная вариабельность

Прогрессивная эволюция

Факторы эволюции кодирующей ДНК

Материалы и методы

1. Размер генома, доля ГЦ-пар и конденсация хроматина

Проточная цитометрия: размер генома и доля ГЦ-пар
Проточная цитометрия: конденсация хроматина
Интенсивность метаболизма
Другие данные
2. Размер внутригеномных элементов
3. Доля ГЦ-пар, физические свойства ДНК и конденсация
хроматина: внутригеномная вариабельность
4. Эволюция гранскриптома и нротеома
Результаты и обсуждение
1. Размер генома, доля ГЦ-пар и конденсация хроматина
Размер генома и интенсивность метаболизма
Размер генома и доля ГЦ-пар
Другие работы по размеру генома
Мембрано-зависимая конденсация хроматина
Заключение: концепция "буферной" ДНК

2. Размер внутригеномных элементов
Структурный анализ: корреляция между размером генома
и размером интронов
Структурный анализ: баланс инсерций и делеций, влияющих
на размер интронов
Структурный анализ: длина интронов и частота оптимальных
кодонов (связанная с транскрипцией)
Структурно-функциональный анализ: "геномный дизайн"
Структурно-функциональный анализ: консервативные участки
в интронах тканеспецифичных и общеклеточных генов
"Геномный дизайн": колоколообразная кривая
3. Доля ГЦ-пар, физические свойства ДНК и конденсация хроматина:
внутригеномная вариабельность
Интрон-экзонная корреляция доли ГЦ-пар
Доля ГЦ-пар и физические свойства ДНК
Доля ГЦ-пар и особенности экспрессии генов
Потенциал формирования нуклеосом
Содержание ЦфГ-динуклеотидов и доля ГЦ-пар
Заключение: "геномный дизайн" и "буферная ДНК"
4. Эволюция транскриптома и протеома
Сравнение степени тканеспецифичности экспрессии генов
у человека и мыши
Различия в трансляционном аппарате у человека и мыши
Заключение: усиление специализации клеток
Факторы эволюции кодирующей ДНК
Выводы
Список литературы
Приложение
Благодарности

Введение
Формулировка проблемы. За короткое время цитология пропит путь от морфологических и физиологических исследований, проводимых исключительно на клеточном уровне, до клеточной биологии, имеющей дело с данными молекулярного уровня. При этом в какой-то степени потерялась целостность клетки, которая разбилась на множество частных молекулярных явлений, детально изучаемых по отдельности. В настоящее время, после появления различных "омик" (геномики, транскриптомики, протеомики, интеракгомики и др.), начался обратный, интеграционный процесс. Возникла молекулярная биология систем, призванная связать "омиксные" данные вместе и представить, как функционирует клетка в целом. В последнее время возрастает также роль эволюционной биологии, которая даже становится базовой наукой для медицины (Nesse et al. 2010).
Одно из главных противоречий, которое возникает при сопоставлении молекулярного уровня с более высокими уровнями биологической организации, это явно адаптивный характер эволюции организмов и доминирование нейтралистских представлений в области молекулярной эволюции. (Возможно, это произошло в результате инерции тренда, возникшего при появлении нейтралистской точки зрения, а также потому, что легче увидеть шум, чем сигнал.)
Это противоречие является важным прежде всего потому, что естественный отбор предполагает функциональность, в то время как нейтральная эволюция в основном производит шум, затрудняющий выделение функциональных компонент. Нейтралистские интерпретаторы приходят к выводу, что даже увеличение сложности организмов и геномов (т.н. прогрессивная эволюция) происходит в результате ослабления естественного отбора и является просто следствием мутационного давления (напр., Lynch, Conery 2003; Koonin 2004). Другими словами, информация, необходимая для повышения уровня биологической организации, должна создаваться из шума без участия естественного о тбора.
В нашей работе сделан поиск функциональных объяснений базовых (системных, "омиксных") свойств структуры генома. Это позволит связать данные молекулярного уровня с результатами, полученными при исследовании более

различались. Поэтому основные данные представлены с использованием кратчайшего сегмента ДНК (1 оборот, 10.5 п.н.) для того, чтобы минимизировать возможные краевые эффекты для коротких последовательностей ЛИК Таким образом, кривизна была определена для движущейся рамки размером 10.5 п.н. (с шагом в 1 п.н.) и усреднена для каждой изучаемой последовательности.
Термостабильность биспирали ДНК была определена на основании унифицированной таблицы значений свободной энергии плавления биспирали ДНК (delta G) для динуклеотидов, составленной по результатам многочисленных физических экспериментов, в основном с помощью методов ультрафиолетового поглощения и калориметрических температурных профилей (SantaLucia 1998). Термостабильность динуклеотидов для биспиралей РНК/ДНК и РНК/РНК была взята из работ Sugimoto et al. (1995) и Xia et al. (1998).
Способность биспирали ДНК к В-Z переходу определялась с использованием таблицы свободной энергии В-Z перехода для динуклеотидов, полученной с помощью последней модификации метода молекулярной механики JUMNA (Lafontaine, Lavery 2000). Термостабильность и способность к В-Z переходу были подсчитаны для движущейся рамки размером 2 п.н. (с шагом в 1 п.н.) и усреднены для каждой последовательности ДНК.
Для каждой изучаемой последовательности ДНК было также сделано по 10 рандомизаций последовательности нуклеотидов, и для них также были посчитаны все изучаемые параметры (гибкость, кривизна, термостабильность и способность к В-Z переходу). Результаты подсчетов для 10 рандомизаций были усреднены. Для каждой кодирующей последовательности, все синонимные позиции, которые могли быть пермутированы с сохранением того же процента ГЦ-пар (т.е. Г<->Ц и А<->Т замены), были случайным образом пермугированы 10 раз с сохранением того же среднего содержания пуринов для всего набора синонимных позиций. Изучаемые параметры, посчитанные для 10 пермутированных последовательностей, были усреднены.
Относительные значения каждого параметра физических свойств ДИК были определены для каждой изучаемой последовательности как разница между значением данного параметра для исходной последовательности и средним