Введение к работе
Актуальность проблемы.
Одним из наиболее важных достижений современной молекулярной генетики является открытие мобильных генетических элементов (МГЭ). Особенностью многих МГЭ является наличие в их составе различных функциональных сайтов, что с учетом способности МГЭ к перемещениям^делает их важным фактором, влияющим на экспрессию генов, на эволюцию генома и на приспособленность организма в целом. Кроме этого, вследствие многокопийности, МГЭ могут участвовать в рекомбинационных процессах, приводящих к структурным перестройкам генома, существенно изменяющим его функционирование. В настоящее время накоплены обширные экспериментальные данные о свойствах МГЭ, причем особенно полно представлены данные, касающиеся молекулярно-генетичес-кого уровня организации МГЭ. Наблюдаемый интенсивный рост объема экспериментального материала и сложность структурно-функциональной организации перемещающихся последовательностей делает необходимым разработку методов теоретического анализа и моделирования свойств перемещающихся последовательностей (ПП или МГЭ) в геномах про- и эукариот с использованием быстродействующих ЭВМ.
Цель и задачи исследования.
Основной целью настоящей работы было комплексное изучение закономерностей структурно - функциональной организации, эволюции и эволюционной значимости мобильных генетических элементов. Главным образом, внимание уделялось исследованию свойств мобильных диспергированных генов (МДГ), перемещающимся последовательностям типа повторов Alu в геноме человека и бактериальному транспозону ТрЮ. При этом решались следующие задачи:
-
разработка методов выявления и оценки эффективности протекания молекулярных обменных,процессов типа неравного кроссинговера и генной конверсии (в том числе блочной конверсии) с участием кластеризованных МГЭ;
-
исследование нуклеотидных последовательностей кластеризованных повторов Alu для выявления и оценки эффективности протекания обменных процессов с их участием;
-
разработка методов оценки частот транспозиции перемещающихся последовательностей; оценка частот транспозиции повто-
РОВ AlU.
-
математическое моделирование влияния транспозиций МГЭ на приспособленность, оценка величины генетического груза для повторов Alu;
-
исследование механизма регуляции числа копий транспозона ТпЮ в геноме на основе математического моделирования; в) исследование механизма "транспозиционной памяти" МГЭ на основе имитационного моделирования;
7) исследование структурно-функциональной организации МГЭ на
основе метода контекстного анализа;
8) теоретическое исследование роли МГЭ как фактора
эволюционного невырождения популяции в изменяющихся условиях
внешней среды.
Научная новизна.
Разработан и реализован на ЭВМ комплекс оригинальных и эффективных методов исследования структурно-функциональной организации и эволюции мобильных генетических элементов про-и эукариот. Создан новый метод для выявления обменных / процессов типа неравного кроссинговера и генной конверсии, протекающих с участием кластеризованных МГЭ. Впервые показано наличие обменных процессов для противоположно ориентированных кластеризованных повторов Alu.
Разработана компьютерная модель, позволяющая оценивать частоту неравного кроссинговера между кластеризованными перемещающимися последовательностями. Впервые получена теоретическая оценка средней частоты неравного кроссинговера в кластерах повторов Alu.
Разработан новый метод выяления блочной конверсии
между кластеризованными ПП. Впервые показано наличие
эффектов блочной конверсии между повторами Alu,
.интенсивность которой не зависит от взаимной локализации
повторов в геноме.
J Предложен новый подход, позволяющий оценивать частоты
транспозиций ПП на основе филогенетического анализа нуклеотидных последовательностей. Показана возможность получения оценок частот перемещения многокопийных ПП на основе анализа малого числа копий.
Создана математическая модель для оценки влияния многокопийных ПП на приспособленность. Исследовано влияние
транспозиций повторов Alu на приспособленность популяции. Впервые показано, что нерегулируемая транспозиция Alu приводит к неприемлемо высокой величине генетического груза.
Разработана математическая динамическая модель бактериального транспозона Tnio. Теоретически впервые показана возможность авторегуляции числа копий транспозона на низком уровне, получена оценка константы связывания транспозазы с транспозоном.
Впервые проведено теоретическое исследованае эффекта транспозиционной памяти МГЭ. Выявлены новые закономерности во влиянии этого эффекта на частоту повторного встраивания МГЭ в один и тот же геномный сайт.
На основе контекстного анализа МДТ эукариот показано наличие в их составе участков, проявляющих выраженную и статистически значимую гомологию с регуляторними сайтами генов теплового шока. Исследована роль МГЭ, как фактора эволюционного невырождения популяций в изменяющихся условиях внешней среды.
Теоретическая и практическая ценность.
В работе развито новое направление теории МГЭ компьютерные и математические методы анализа полинуклеотидных последовательностей МГЭ и ПП, позволяющие получать ценную информацию о закономерностях их эволюции и роли, как факторов генерации генотипической и фенотипической изменчивости в популяциях. На основе данных методов создан комплекс программ, позволяющий анализировать свойства различных семейств МГЭ и повторяющихся последовательностей. Предложенный метод оценки скоростей транспозиции ПП на основе филогенетического анализа может найти широкие применение при интерпретации экспериментальных данных по первичным структурам различных ПП. Методы анализа обменных процессов в кластерах МГЭ дают эффективный подход к исследованию механизмов перестроек, индуцированных повторами в геномах эукариот.
Проведенные исследования вскрывают комплексную природу перемещающихся последовательностей, как фактора генотипической изменчивости в популяциях, связанную как с их транспозициями, так и с их участием в обменных процессах.
Существенное значение имеют результаты исследования
роли МГЭ, как фактора эволюционного невырождения популяций в изменяющихся условиях внешней среды. Как один из важных факторов, определяпцих динамику внутригеномных перемещений МГЭ, может рассматриваться механизм транспозиционной памяти.
Апробация работы.
Материалы диссертации были доложены на 1-м, 2-м и 3-м Всесоюзных рабочих совещаниях "Теоретические исследования и банки данных по молекулярной биологии и генетике" (Новосибирск, 1984, 1986, 1988), на 5-м съезде ВОГИС (Москва, 1987), на 6-м и 7-м Всесоюзных симпозиумах "Молекулярные механизмы генетических процессов" (Москва, 1987, 1990), на республиканской школе-семинаре "Применение математических и физических методов в биологии" (Кишенев, 1987), на международной конференции "На пути к новому синтезу в эволюционной биологии" (Прага, 1987), на 9-ой международной конференции "Происхождение жизни" (Прага, 1989), на Всесоюзном рабочем совещании по компьютерной поддержке программы "Геном человека" (Пущино, 1989), на международной конференции "Моделирование и компьютерные методы в молекулярной биологии и генетике" (Новосибирск,1990), на семинарах Института молекулярной биологии и генетики АН УССР (Киев,1987,1989), на семинаре кафедры генетики и селекции ЛГУ (Ленинград,1989), на семинаре "Математические методы в генетике" Института общей генетики АН СССР (Москва, 1989).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов. Объем диссертации 150 страниц машинописного текста, 44 рисунка, И таблиц; список литературы включает 170 ссылок; общий объем 217 страниц.
