Введение к работе
Актуальность проблемы
Изучение механизмов адаптации организмов к различным условиям обитания, в том числе к температурным условиям окружающей среды, является актуальной проблемой современной биологической науки. Важную роль в адаптации организмов к изменяющимся природным условиям играет система генов теплового шока (hsp). Белки, кодируемые hsp, выполняют в клетке функции молекулярных шаперонов. Они играют важную роль как в обычных условиях существования, так и при стрессовых воздействиях, предотвращая агрегацию белков и помогая им вернуть нативную структуру. Особенно важна роль белков теплового шока с молекулярной массой 70 кДа (БТШ70). Эти белки весьма консервативны, гомология их последовательностей достигает 50% даже у таких далеких организмов, как Е. coli и человек. Высокая консервативность этих белков говорит об их исключительной значимости для выживания организмов. Достаточно хорошо изучена роль БТШ70 в адаптации видов Drosophila к различным условиям обитания. Показано, что именно белки БТШ70 играют ключевую роль в способности этих организмов приспосабливаться к разнообразным природным условиям и занимать разные природные ниши. Однако такие исследования проводились в основном на линиях мух, содержащихся в стабильных условиях лаборатории. Для природных популяций видов отряда Diptera, в том числе обитающих в экстремальных природных условиях (контрастные температурные режимы, высокая соленость, химически агрессивные компоненты и т.п.), этот вопрос практически не изучен. Именно такие исследования должны способствовать более глубокому пониманию механизмов биологической адаптации. Таким образом, представляло интерес исследовать роль БТШ70 в адаптации видов нескольких семейств Diptera (Stratiomyidae, Chironomidae, Tabanidae и Ceratopogonidae), взятых непосредственно из природных условий. Личинки этих видов населяют контрастные, в том числе с агрессивными параметрами, биотопы. Важную роль в координированной экспрессии и эволюции генов hsp играет их организация в виде кластеров. Соответственно, актуально было изучить различия в организации генов hsp70 у родственных видов, населяющих контрастные биотопы.
Цель работы
Сравнительный анализ структуры и экспрессии генов hsp70 у видов малоизученных семейств отряда Diptera, а также исследование возможной роли этих генов в формировании адаптации к разнообразным (в том числе экстремальным) условиям среды обитания.
Задачи исследования
-
Определить термоустойчивость родственных видов Diptera, обитающих в контрастных природных условиях;
-
Изучить экспрессию генов hsp70 и hsp83 на уровне транскрипции и трансляции у различных видов Diptera, определить паттерн белков, индуцируемых тепловым шоком;
-
Исследовать строение генов теплового шока и их геномную организацию для двух контрастных в отношении условий обитания и ответа на тепловой шок (ТШ) видов - Stratiomys singularior и Охусега pardalina.
-
Провести филогенетический анализ последовательностей генов и белков семейства hsp70 для выявления путей адаптивной эволюции этой системы у различных групп двукрылых.
Научная новизна работы
В данной работе исследованы несколько видов семейства Stratiomyidae (Diptera): определена их температурная устойчивость, характер экспрессии генов hsp70 (индукция транскрипции, уровень синтеза белка, белковый паттерн при ТШ), строение и организация в геноме генов hsp70. Полученные результаты показали, что для всех видов Stratiomyidae характерна индуцибельная транскрипция генов hsp70, а также генов низкомолекулярных БТШ. У всех изученных видов данного семейства зарегистрировано конститутивно высокое содержание и высокая стабильность БТШ70. Это принципиально отличает данное семейство от других изученных семейств Diptera (в частности, от Drosophila). Таким образом, описан новый вариант эволюции генетической системы, обеспечивающей приспособление организмов к экстремальным условиям окружающей среды.
В ходе исследований показана организация генов hsp70 в виде компактного кластера у термоустойчивого вида Stratiomys singularior и дисперсное расположение hsp70 у холодолюбивого вида Охусега pardalina. Эти результаты важны для понимания путей эволюции близкородственных видов в процессе адаптации к разнообразным условиям обитания.
В данной работе получены также новые данные об экспрессии генов hsp70 у других видов Diptera (семейства Chironomidae, Tabanidae и Ceratopogonidae), взятых из природных популяций с контрастными условиями обитания. Таким образом, полученные результаты можно обсуждать в сравнительном аспекте, что позволяет оценить эволюцию семейства генов hsp70 в отряде двукрылых. Кроме того, на описанной модели можно оценить роль семейства генов hsp70 в адаптации организмов к природным условиям.
Практическая ценность работы
Семейства, изученные в данной работе, широко распространены в различных регионах и занимают разнообразные экологические ниши. Полученные данные о функционировании генов hsp70 могут быть полезны для использования видов указанных семейств в биомониторинге. Некоторые представители этих семейств являются эктопаразитами сельскохозяйственных животных. Следовательно, детальное изучение функционирования такой важнейшей для выживания системы, как системы генов ТШ, может оказаться полезным для создания эффективных способов борьбы с паразитами.
В данном исследовании была обнаружена способность представителей семейства Stratiomyidae накапливать в клетках большое количество БТШ70, которое при этом не вызывает патологий развития, как описано, например, для Drosophila. Возможно, это связано со специфическим аминокислотным составом белков БТШ70 у Stratiomyidae. Таким образом, полученные данные могут быть полезны для создания трансгенных животных с повышенной или пониженной термоустойчивостью. Кроме того, учитывая важную роль БТШ70 в развитии многих заболеваний, а также использование этого белка для лечения некоторых патологий, результаты настоящей работы могут представлять определенный интерес для медицины.
Апробация работы
Результаты работы были представлены на конференции «Биоразнообразие и динамика генофондов» в 2008 году; 14-ой Путинской международной школе-конференции молодых ученых «Биология - Наука XXI века» (Пушино, 19-23 апреля 2010 года); 2-й Московской международной конференции «Молекулярная филогенетика MolPhy-2» (Москва, 18-21 мая 2010 года); XXI Съезде Физиологического общества им. И.П. Павлова (Калуга, 19-25 сентября 2010 г.); IV Международной школе молодых ученых по молекулярной генетике "Геномика и биология клетки" (Звенигород, 29 ноября - 3 декабря 2010 года).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, 4 из которых -статьи в рецензируемых научных журналах.
Объем и структура диссертации
