Динамика однолокусного мультиаллельного адаптивного ландшафта в молекулярной эволюции белок-кодирующих последовательностей ДНК

• Автор: Науменко, Сергей Анатольевич
• Шифр специальности: 03.01.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 97 с. : ил.

Оглавление
Введение
Объект исследования
Предмет исследования
Методы исследования
Актуальность темы
Цели и задачи исследования
Научная новизна и практическая значимость
Апробация работы
Структура и объем диссертации
Список публикаций по теме диссертации
1 Развитие концепции адаптивного ландшафта
1.1 Пространство комбинаций аллелей
1.2 Пространство частот генотипов в популяции
1.3 Адаптивный ландшафт с глобальным пиком
1.4 Адаптивный ландшафт над пространством последовательностей
1.5 Двойные замены на мутационном ландшафте
1.6 Адаптивный ландшафт М. Кимуры
1.7 Адаптивные прогулки на изломанных ландшафтах
1.8 ИК-модель С. Кауффмана
1.9 Флуктуации отбора
1.10 Неравновесная динамика адаптивных ландшафтов
1.11 Дырявый ландшафт
1.12 Практическое применение теории адаптивных ландшафтов
1.13 Изучение ландшафтов по молекулярным данным
1.14 Адаптивные ландшафты в эволюции вирусов
1.15 Выводы
2 Динамика триаллельного адаптивного ландшафта
2.1 Прямые, обратные и боковые замены в триаллельном сайте
2.2 Случай увеличения приспособленности производного аллеля
2.3 Случай уменьшения приспособленности предкового аллеля
2.4 Выводы
3 Анализ динамики адаптивного ландшафта в эволюции позвоночных и насекомых
3.1 Филогенетический анализ динамики адаптивных ландшафтов
3.2 Динамика частот обратных и боковых замен
3.3 Выводы
4 Оценка эффекта гетерогенности адаптивного ландшафта между сайтами
4.1 Эффект гетерогенности сайтов
4.2 Две характеристики белок-кодирующего сайта
4.2.1 Скорость эволюции
4.2.2 Ширина спектра допустимых аминокислот
4.3 Методика расчета
4.3.1 Филогении и наборы данных
4.3.2 Реконструкция замен в предковых линиях
4.4 Полученные корреляции
4.4.1 Корреляции по сайтам
4.4.2 Корреляции с усреднением по белку
4.4.3 Корреляции по классам аминокислот
4.5 Выводы
5 Размещение стоп-кодонов уменьшает количество нонсенс-мутаций
5.1 Возникновение генетического кода
5.2 Разметка генетического кода
5.3 Критерии адаптации для расположения стоп-кодонов
5.4 Положение разметки универсального генетического кода на ландшафте всех
кодов
5.4.1 Устойчивость к мутациям сдвига рамки
5.4.2 Устойчивость к нонсенс-мутациям
5.5 Выводы
Основные результаты и выводы
Благодарности
Список литературы

Введение Объект исследования
Последовательность белка определяется последовательностью белок-кодирующего гена в соответствии с генетическим кодом. Несинонимические замены в белок-кодирующем гене в ходе эволюции приводят к изменению последовательности белка, которая определяет то, как он выполняет свою функцию в клетке, что, в свою очередь, влияет на приспособленность организма. Таким образом, определенный аллель в определенном сайте белок-кодирующего гена дает некоторый вклад в приспособленность организма. Назовем этот вклад приспособленностью аллеля.
Теоретически в аминокислотном сайте допустимы 20 аллелей, соответствующие 20 аминокислотам. В природе в каждом сайте некоторые аминокислоты, как правило, недопустимы, так что каждый сайт обычно ограничен их подмножеством. Кроме того, обычно выделяют классы аминокислот, сходных по физико-химическим свойствам; если разные аминокислоты в пределах класса являются функционально эквивалентными, то в качестве аллеля может выступать класс аминокислот.
Аллели различаются по абсолютной приспособленности уа; эта величина может принимать значение от 0 (летальный аллель, наличие которого приводит к гибели организма) до некоторой положительной величины, характеризующей работу белка (скажем, скорость реакции, которую он катализирует).
На практике удобно определить абсолютную приспособленность аллеля в контексте популяции: приспособленность аллеля — это средняя
приспособленность популяции, в которой этот аллель зафиксирован, а частоты аллелей во всех остальных локусах сохранены. Очевидно, что приспособленность одного и того же аллеля в разных популяциях может различаться.

B. Мустонен и М. Лэссиг обобщили теорему Р. Фишера, включив в модель эволюции действие мутаций, дрейфа и флуктуирующего отбора и рассмотрев статистическую динамику ансамблей популяций [46]. В качестве меры адаптивной эволюции предлагается поток приспособленности, который определяется как произведение коэффициента отбора на скорость изменения частоты аллеля. Доказан рост кумулятивного потока приспособленности для большинства популяций. Лишь в малой доле популяций уменьшающейся численности происходит уменьшение потока приспособленности.
1.11 Дырявый ландшафт
C. Гаврилец предложил модель дырявого адаптивного ландшафта [47; 9, с.309]. Он отметил, что классический ландшафт С. Райта, с пиками и долинами, представляет собой проекцию нашего опыта жизни в трехмерном мире, в то время как реальный адаптивный ландшафт многомерен. Проблема модели С. Райта в том, что популяция не может пересечь адаптивную долину, чтобы подняться на более высокий пик приспособленности. Для решения этой проблемы С. Райт предложил свою теорию смещенного равновесия, однако математический анализ этой теории показывает, что пересечение адаптивных долин в ней возможно лишь в некоторых специальных случаях.
В модели С. Гаврильца приспособленности генотипов (которые определяются комбинациями аллелей) назначаются случайно и независимо, функция приспособленности имеет лишь 2 значения: 0 и 1.
В пространстве генотипов находится множество точек приспособленности 1, связанных друг с другом непрерывными путями. Однако встречаются “несовместимые” комбинации аллелей, приспособленность которых равна нулю, и которые представляют собой дыры в плоском адаптивном ландшафте.