Теоретические исследования структурно-функциональной организации и эволюции мобильных генетических элементов тема диссертации по экономике, полный текст автореферата

Автореферат диссертации по теме "Теоретические исследования структурно-функциональной организации и эволюции мобильных генетических элементов"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Институт цитологии и генетики

На правах рукописи

УДК 578.088:(576.12+675.24)

V

Капитонов Владимир Вячеславович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ И ЭВОЛЮЦИИ МОБИЛЬНЫХ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Генетика - 03.00.15

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Новосибирск - 1990

Работа выполнена в Институте цитологии и генетики СО АН СССР,

г. Новосибирск

Научный руководитель - доктор биологических наук,

профессор В.А. Ратнер

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

А.Д. Груздев

Институт цитологии и генетики СО АН СССР, г. Новосибирск

доктор биологических наук, Л.А. Животовский Институт общей генетики АН СССР, г. Москва

Ведущее предприятие - Ленинградский государственный

университет

^Защита диссертации состоится /С/;<0/Л-'/ 1990 г>

на ('г-С ¿¿^ЛР-М заседании специализированного совета по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте цитологии и генетики СО АН СССР (Д-0.002.11.01) в конференц-зале Института по адресу: 630090, г.Новосибирск, 90, проспект Академика Лаврентьева, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института цитологии и генетики СО АН СССР.

Автореферат разослан " /с&Л _ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета, / /

доктор биологических наук /¡и^ н.Б. Христолюбова

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:

1) 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;

2) исследование нуклеотидных последовательностей кластеризованных повторов Alu для выявления и оценки эффективности протекания обменных процессов с их участием;

3) разработка методов оценки частот транспозиции перемещающихся последовательностей; оценка частот транспозиции повто-

ров AlU.

4) математическое моделирование влияния транспозиций МГЭ на приспособленность, оценка величины генетического груза для повторов Alu;

5) 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, протекапцих 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 ПЛ. Впервые показано наличие эффектов блочной конверсии между повторами Alu, .интенсивность которой не зависит от взаимной локализации повторов в геноме.

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 МДГ эукариот показано наличие в их составе участков, проявляющих выраженную и статистически значимую гомологию с регуляторными сайтами генов теплового шока. Исследована роль МГЭ, как фактора эволюционного невыроящения 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 широкбе 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, определяющих 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена обзору литературы по основным свойствам МГЭ и теоретическим исследованиям мобильных генетических элементов. В свете изложенных методов и данных ставятся задачи, решению которых посвящена диссертационная работа.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ КЛАСТЕРИЗОВАННЫХ ПОВТОРОВ Alu

Данная глава посвящена исследование процессов, вызывающих перераспределение фрагментов генома, и протекающих с участием кластеризованных повторов Alu (генная конверсия, неравный кроссинговер и т.п.). В работе подобные процессы называются обменными. Кластером называется группа таких повторов Alu, когда соседние повторы удалены друг от друга на расстоянии порядка длины повтора Alu.

Метод псевдокластеров.

В качестве меры эффективности протекания обменных процессов используется зависимость Ф(х) средней степени дивергенции (эволюционное расстояние) между любыми двумя МГЭ кластера от внутригеномного расстояния х между ними (Kimura, Ohta, 1979).

Пусть имеется множество кластеров, состоящих из МГЭ, • для которых известны их нуклеотидные последовательности. За счет случайных перестановок МГЭ друг с другом формируется новая выборка кластеров. Эта выборка состоит из псевдокластеров, каждый из которых образован мобильными элементами, на самом деле входящими в различные реальные исходные кластеры. Если зависимость Ф(х), построенная по выборке реальных кластеров, связана с эффективностью протекания обменных процессов, то аналогичная зависимость, построенная для псевдокластеров, уже не связана с этими процессами, так как рекомбина-ционные взаимодействия удаленных друг от друга МГЭ маловероятны.

В качестве меры различия между двумя указанными зависимостями используется среднеквадратичное отклонение с между ними. Так как псевдокластерных выборок может быть получено достаточно большое число, то, применяя вычислительную процедуру типа бутстрэпа, можно построить функцию распределения среднеквадратичного отклонения с. Для найденного распределения с находятся критические значения е1 и е2> ограничивающие слева и справа интервалы, в каждый из которых попадает 2-3% всех наблюдаемых значений величины е.

Далее исходная выборка реальных кластеров разделяется случайным образом пополам. Для каждой из двух частей определяются зависимости Ф(х), которые сравниваются друг с другом (результат сравнения - среднеквадратичное отклонение Ер). Проводя разделение исходной выборки максимально возможным

числом способов, можно найти распределение величины квадратичного отклонения ер.

средне-

Если статистическая гипотеза Н„ заключается в том,

о

что

эффективность обменных процессов, протекающих с участием МГЭ кластера, пренебрежительно мала, то величина ер распределена также, как и величина с. Если вероятность попаданий наблюдаемых значений ер в критический интервал распределения с оказывается меньше 0.05, то гипотеза hq должна быть отвергнута. В таком случае в кластерах МГЭ протекают выраженные статистически значимые обменные процессы.

Анализ десяти кластеров повторов Alu показал,.что в ходе эволюции генома протекают обменные процессы с участием противоположно ориентированных повторов Alu (рис.1). Для со-направленных повторов обменные процессы не выявляются. Результаты анализа косвенно подтверждаются недавним наблюдением того факта, что Alu повторы, расположенные на расстоянии меньшем 500 н.п., преимущественно ориентированы одинаково (läoyzis et al., 1989).

n

35. за. 25. 29' 15' 10 5'

Рис. 1. Распределения среднеквадратичного отклонения с (—), полученного при сравнении псевдокластеров с реальными кластерами, и £р(—), полученного при сравнении реальных подвыборок, для кластеризованных повторов Alu противоположной ориентации.

п

Î.102

I I I

1-1

Оценка частоты неравного кроссинговера При инсерции копий МГЭ в геном обычно происходит дупликация короткого фрагмента генома, и образуются идентичные фланкирующие (ФП) повторы. В результате неравного кроссинговера между кластеризованными МГЭ может изменяться общая картина расположения фланкирующих участков (рис.2). Во второй части данной главы описан новый метод оценки частоты неравного кроссинговера, основанный на имитационном моделировании

1) -А—А-В-2—В-С-^-С—

1) -А—А-В-5—В—^—с-М:-

II) -А—А-В^А-Б-2—В-С-1-С—

Рис.2. Неравный кроссинговер между одинаковыми кластерами; 1, г, з - номера МГЭ; А> В. С ~ фланкирующие повторы; мг и 2/1 - мгэ, являпциеся результатом неравного кроссинговера между мгэ 1 и г.

неравного кроссинговера между кластеризованными МГЭ в диплоидной популяции.

Изменение общего расположения ФП и их сходство мы описывали следующими тремя параметрами, усредненными по всей популяции: к1- количество МГЭ в кластере, каждый из которых окружен идентичными ФП, умноженное на два; К2 - количество одиночных ФП, которые в кластере присутствуют в единственном числе; кд - количество всех остальных ФП в кластере.

Так как МГЭ способны незавивисимо друг от друга вылепляться из генома и встраиваться в него (со скоростью х), то в модели были учтены и эти процессы.

В результате проведения моделирования указанных процессов мы можем получить калибровочную зависимость параметров к1, к2 и Кд от частоты неравного кроссинговера \> и скорости транспозиции х (рис.3)

С помощью данного метода были исследованы десять кластеров повторов Alu (табл.1), для которых мы могли оценить скорость транспозиции х (гл. 3). Оказалось, что среднее значение частоты неравного кроссинговера в кластере

_q

Alu повторов есть величина порядка 10 (на кластер за год).

Табл. 1. Анализ кроссинговера в кластерах Alu

Кластеры Alu Kj/N K2/N К3/н \/i>

тубулиновый 0.5 0.25 0.25 10

6-глобиновый 1 0 0 100

с-глобиновый 0.86 0.14 0 10

гастриновый 1 0 0 100

c-fes/fps 0.75 0.25 0 10

LDL-рецепторный 1 0 0 100

аргининсукцинат синтетазный 1 0 0 100

o-фетопротеиновый 1 0 0 100

аденозин дезаминазный 1 0 0 100

ацетилтранс-феразный 1 0 0 100

На основе проведенного анализа сделано предположение, что неравный кроссинговер между близкорасположенными кластеризованными повторами Alu протекает с низкой эффективностью. Причинами этого может быть локализация кластеров в районах генома с пониженной рекомбинационной способностью, либо наличие молекулярных механизмов, возникших в ходе эволюции, репрессирупцих неравный кроссинговер в кластерах Alu.

Анализ блочной конверсии

В качестве меры, позволяющей выявить последствия блочной конверсии (Powers, Smithies, 1986) с участием МГЭ, можно принять величину, пропорциональную количеству коротких участков совершенной гомологии, выявляемых при сравнении нуклео-тидных последовательностей МГЭ.

Для ослабления влияния высокой степени сходства между копиями МГЭ рассматривались только такие пары МГЭ, локализованных в одном кластере, которые филогенетически оказывались ближе к паре МГЭ из другого кластера, чем друг к другу.

Пусть 1, J - номера МГЭ из первого кластера, a k, 1 -

номера МГЭ из второго кластера. Если при сравнении последовательностей двух МГЭ (например, 1 и J) выявляется х участков совершенной гомологии не короче порога L, то £гi/L, где г - длина i-ro участка (¡=1,...,х). 1

Для каждой такой четверки МГЭ определялись значения параметра К:

KiJ = nlJ/,niJ+ "ij'' где "ij=inlk+ nil+ nJk+ nji,/4-

Также как в методе псевдокластеров, определяются распределения значений К для реальной и псевдокластерных выборок. Если законы распределения различны, то эффективность блочной конверсии между МГЭ, расположенными в одном и том же кластере, значимо отличаете? от эффективности блочной конверсии между МГЭ, расположенными в разных кластерах. В случае одинаковых распределений формируются выборки, состоящие из того же числа случайных нуклеотидных поледовательностей, что и реальная выборка, с теми же частотами нуклеотидов и матрицей сходства. Сравнивая количество участков совершенной гомологии в реальной и случайной выборках, можно определить, не является ли наблюдаемая блочная гомология результатом высокой степени сходства разных копий МГЭ.

Данный метод использовался для исследования блочной конверсии между кластеризованными повторами Alu. Исходная выборка состояла из 41 повтора Alu, расположенных в десяти кластерах. Минимальная длина участков совершенной гомологии равнялась 10 н.п. Из рассмотрения исключались такие консервативные участки повторов, как промоторный участок, сайт связывания большого Т-антигена и т.д. Оказалось, что в исходной выборке выявляется блочная конверсия между Alu повторами, эффективность которой не зависит от локализации повторов Alu в геноме (т.е. от расстояния между ними).

Для объяснения обнаруженного эффекта предложена гипотеза, согласно которой экстрахромосомные повторы Alu способны конвертировать внутригеномные повторы Alu.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МГЭ

В первом разделе главы описан метод имитационного моделирования внутригеномной эволюции повторов Alu. На каждом шаге модели моделируются процессы репликативной транспозиции, выщепления из генома и мутирования. С помощью данной

модели можно было имитировать получение оценок таких динамических характеристик МГЭ как степень дивергенции и скорость транспозиции на основе анализа нуклеотидных последовательностей небольшого числа копий МГЭ. В результате можно было получить зависимость точности определения динамических характеристик МГЭ от размера анализируемой выборки. Эта задача особенно актуальна для повторов Alu, так как в настоящее время секвенировано менее 0.01% от общего числа (9-ю5) вну-тригеномных Alu повторов (Hwu et al.,1986). Оказалось, что для удовлетворительной оценки скоростей транспозиции и средней степени дивергенции достаточно иметь выборку размером около 100 секвенированных повторов Alu (рис.4)

Рис. 4. Зависимость точности оценки б скорости транспозиции повторов Alu и их средней степени дивергенции от размера анализируемой выборки (N --число секвенированных повторов Alu).

Филогенетический метод оценки частот перемещения МГЭ.

Ранее разработанный метод оценки частот перемещения МГЭ использовал информацию о фланкирующих повторах и ряд гипотетических предположений (Шахмурадов и др.,1989). В данной работе разработан более универсальный метод, основанный на анализе филогенетических деревьев для нуклеотидных последовательностей МГЭ. Для этого используются две интегральные филогенетические характеристики.Первой является величина, значение которой равно сумме всех ребер древа lj, а второй сумма расстояний L¡ между любыми двумя висячими вершинами, каждая из которых соответствует МГЭ. Показано, что

2(K-l) íf

*/И ■ I 1, И I L , = a/ti + р/х , ♦ i-1 1 J-1 1

где а и э - коэффициенты; х-частота репликативной транспозиции; (j-частота выщепления МГЭ из генома; к - размер выборки

(число висячих вершин).

Для определения значений коэффициентов « и ß, и их зависимости от свойств МГЭ и размера выборки использовался метод имитационного моделирования. Оказалось, что значения коэффициентов не зависят существенно от х и ц, но зависят от величины к. Вид зависимости определялся при имитационном моделировании.

Метод использовался для оценки частот перемещения Alu. Результаты согласуются с прежними оценками (Шахмурадов и др., 1989) (Табл. 2)

Табл. 2. Оценки скоростей транспозиции и выщепления х и v.

Метод филогенетический Метод анализа фланкирующих повторов (Шахмурадов и др., 1989)

X [1/год] V [1/год] X [1/год] [1/год]

3-Ю"7 1.5-10"7 2.5-10~7 1•10~7

Связь приспособленности с транспозициями повторов Alu. Рассматривалась диффузионная модель диплоидной популяции, в которой инсерции Alu в кодирующие районы вызывали снижение приспособленности. Предполагалось, что в геноме имеется к локусов (кодирующие, функциональные), для которых можно выделить только два аллельных состояния: первое- в ло-кус встроился Alu, и второе - Alu в этом локусе нет. Если особь оказывается гомозиготной по первому аллелю, то приспособленность равна О; приспособленность гетерозиготы и гомозиготы по второму аллелю равна 1.

В качестве меры выживаемости популяции бралась величина генетического груза L (Ewens.1979): L=(Wmax- V), где

V -оптимальное значение приспособленности, v -наблюдаемое.

-2 к

В модели получено, что l=i-(1-x ) , где x=/®(x)xdx;

Ф(Х) = C(l-X2)2N-X4Nt'-1- (1-Х ;

/XN/IM-N), если хп < М-п _

" = ( 1. если xn i М-п • <{*U)dx - 1).

х, ц- частоты транспозиции и выщепления; N-размер популяции; М-количество сайтов встраивания; л - число Alu в геноме,

Оказалось, что в пределах точности известных оценок используемых в модели параметров, величина генетического груза

популяции находится в интервале от 0.1 до 0.6. Обычно у млекопитающих генетический груз не бывает выше 0.5 (Кимура, 1985), поэтому полученный результат означает, что перемещения повторов Alu, в целом, не нейтральны, и в ходе эволюции генома должны были возникнуть регуляторные механизмы компенсации негативного влияния Alu повторов.

В четвертом разделе проведено математическое моделирование внутригеномной динамики бактериального транспозона ТпЮ. Показана теоретически возможность авторегуляции числа копий транспозона на низком уровне. Получена оценка константы связывания транспозазы с транспозоном. Продемонстрирована регуляторная молекулярно-генетическая система, обладающая свойством глобальной устойчивости в условиях локальной неустойчивости (Мари, 1983).

В пятом разделе главы исследуются особенности транспозиционной памяти МГЭ (Мизрохи и др., 1985) методом имитационного моделирования.

ГЛАВА 4. МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ. КАК ФАКТОР ЭВОЛЮЦИОННОГО НЕВЫРОЖДЕНИЯ ПОПУЛЯЦИИ Теоретически исследован вопрос об эволюционной роли МГЭ, как фактора невырождения популяций в изменяющихся условиях внешней среды. С использованием методов контекстного анализа (Колчанов, Соловьев, 1985) в составе многих МГЭ эукариот выявлены участки неслучайной гомологии с регулятор-ными сайтами теплового шока (РСТШ) (табл. 3). Поэтому было

Табл. 3. МГЭ с участками ДНК, гомологичными РСТШ

МГЭ Количество ГОМОЛОГИИ Граница доверительного интервала

Ожидаемое Наблюдаемое

МЦГ-1 0.1 1 1

МЦГ-3 0.05 1 0

EVI 0.17 1 1

ново 0.2 1 1

р 0.18 1 1

МДГ-4 0.02 1 0

CIN1 0.01 1 t 0

BS1 0.18 1 1

DIRS1 0.1 1 1

TDD1 0.12 2 1

высказано предположение, что активация транскрипции под действием теплового шока - свойство, широко распространенное среди многих МГЭ эукариот. Существенная активация транскрипции в районе PCT1II наблюдается не только под действием темпе-температуры, но и в результате влияния таких факторов как вирусные инфекции, яды, детергенты и т.д. (Neidhardt et al., 1984). Поэтому мобильные элементы, содержащие РСТШ, можно рассматривать как внутриклеточную систему, обеспечивающую реакцию популяции в ответ на широкий набор неблагоприятных факторов внешней среды, проявляющуюся в повышении уровня генотипической изменчивости вследствие значительного увеличения частот транспозиции и инсерционного мутагенеза, обусловленных активацией транскрипции МГЭ. Таким образом МГЭ могут обеспечивать повышенное разнообразие новых вариантов геномов, способных выжить в критических условиях.

В работе рассмотрены эволюционные мотивации включения РСТШ в состав МГЭ. Это может увеличить вероятность сохранения регуляторного сайта в условиях редких неблагоприятных воздействий окружающей среды, когда в промежутках между такими воздействиями в сайте фиксируются мутации, повреждающие его.

ВЫВОДЫ

1. Разработан и реализован на ЭВМ метод для выявления обменных процессов, протекающих между кластеризованными перемещающимися последовательностями. Показано наличие обменных процессов между противоположно ориентированными кластеризованными повторами Alu в геноме человека.

2. Создана имитационная компьютерная модель, позволяющая оценивать частоту неравного кроссинговера в кластерах мобильных генетических элементов эукариотического генома. Показано, что средняя частота неравного кроссинговера в кластерах повторов a!u генома человека является величиной поряд-

_q

ка 10 (на кластер за год). Выдвинуто предположение, что Alu повторы кластеризуются в районах с пониженной рекомбина-ционной способностью, либо в ходе эволюции генома возникли дополнительные механизмы, понижающие частоту неравного кроссинговера между близкорасположенными кластеризованными повторами Alu.

3. Разработан и реализован на ЭВМ метод анализа блочной

конверсии между кластеризованными, гомологичными нуклеотид-ными последовательностями. Показано, что для кластеризованных повторов Alu человека выявляется блочная конверсия, интенсивность которой не зависит от взаимной локализации повторов в геноме.

4. Предложен новый подход, позволяющий на основе анализа филогенетических деревьев, построенных для нуклеотидных последовательностей мобильных генетических элементов, определять значения частот репликативной транспозиции и выщепле-ния этих элементов из генома. Показано, что для повторов Alu человека средние частоты выщепления и транспозиции равны 1.5-10-7 и 3-10-7 (на повтор за год), соответственно.

5. Разработана и исследована математическая модель для оценки генетического груза диплоидной популяции, обусловленного транспозицией многокопийных мобильных генетических элементов. Показано, что нерегулируемая транспозиция повторов Alu человека приводит к неприемлемо высокой величине генетического груза. Поэтому в ходе эволюции генома должны были возникнуть механизмы, ограничивающие транспозиции повторов Alu.

6. Разработана математическая модель внутригеномной динамики транспозона ТпЮ в геноме Е.coll. Показана параметрическая глобальная устойчивость этого процесса, свидетельствующая о возможности авторегуляции количества копий ТпЮ на низком уровне, в условиях локальной неустойчивости.

7. Исследована компьютерная модель транспозиционной памяти МГЭ. Для частоты повторных встраиваний МГЭ в один и тот же сайт показана нелинейная зависимость от силы притяжения со стороны длинных концевых повторов, когда частота повторных встраиваний с ростом силы притяжения вначале увеличивается, а затем уменьшается. Выявлена существенная зависимость частоты повторных встраиваний МГЭ от числа потенциальных сайтов встраивания.

8. На основе контекстного анализа в составе ряда мобильных генетических элементов эукариот выявлены участки статистически неслучайной гомологии с регуляторными сайтами теплового шока. Выдвинута концепция, согласно которой мобильные элементы, содержащие указанные сайты, обеспечивают генерализованную внутриклеточную реакцию в ответ на широкий спектр неблагоприятных факторов внешней среды. Такая реакция прояв-

ляется в повышенном уровне генотипической изменчивости, связанном с перемещениями МГЭ.

Основное содержание диссертации представлено в работах:

1. Капитонов В.В., Шахмурадов И.А. Достаточность взаимодействия двух РНК для авторегуляции числа транспозонов Тп-10 в клетке.- "Теоретические исследоания и банки данных по молекулярной биологии и генетике" (Сб.научных трудов), Новосибирск, ИЦиГ СО АН СССР, 1986, С.91-95.

2. Капитонов В.В. Мобильные генетические элементы как фактор эволюции эукариотических популяций при экстремальных изменениях услоий внешней среды.- Сб.тез. VI Всес. симпозиума "Молекулярные механизмы генетических процессов", Москва, 1987, с.79.

3 Капитонов В.В., Колчанов H.A., Шахмурадов И.А., Соловьев В.В. Наличие в мобильных генетических элементах участков, гомологичных регуляторному сайту теплового шока.- Генетика, 1987, т.XXIII, * 12, с.2112-2119.

4. Капитонов В.В., Шахмурадов H.A., Колчанов Н.А..Омельянчук Л.В.- Эволюция повторов Alu: 11.Внутригеномное распространение и дивергенция. Новосибирск, препринт ИЦиГ СО АН СССР, 1987, 47 с. *

5. Капитонов В.В., Митюгова Л.В. Исследования особенностей эволюции повторов типа Alu. - Сб. тезисов III Всесоюзного совещания "Теоретические исследоания и банки данных по молекулярной биологии и генетике" (Сб.научных трудов),' Новосибирск, ИЦиГ СО АН СССР, 1988, с.120.

6. Шахмурадов И.А., Капитонов В.В. Исследование перекрестной гомологии повторов Alu человека.- Сб. тезисов III Всесоюзного совещания "Теоретические исследоания и башки данных по молекулярной биологии и генетике" (Сб.научных трудов), Новосибирск, ИЦиГ СО АН СССР, 1988, с.83.

7. Капитонов В.В. Применение ЭВМ в молекулярной биологии.Введение в теорию мобильных генетических элементов (Уч. пособие), Новосибирск, НГУ, 1988, 84 е..

8. Капитонов В.В., Колчанов H.A. Эволюционная значимость наличия в мобильных генетических элементах регуляторных сайтов, реагирующих на среду. Регуляторный сайт как триггер.- Генетика, 1988, т.XXIV, * 9, с.1696-1704.

9. Колчанов Н.А., Шахмурадов И.А., Капитонов В.В..Омельянчук Л.В. Некоторые особенности эволюции повторов Alu млекопитающих.- Молекулярная биология, 1988, т.22, Jf 5, с. 1885-1844.

10. Капитонов В.В., Шахмурадов И.А., Колчанов Н.А. Эволюция повторов Alu. Имитационная модель. - Генетика, 1989, т.XXV, » в, С.1111-1118.

11. Шахмурадов И.А., Капитонов В.В., Колчанов Н.А. Эволюция повторов Alu. Динамика численности повторов нутри генома. -Генетика, 1989, т.XXV, К 9, с.1682-1689.

12. Шахмурадов И.А..Колчанов Н.А..Капитонов В.В., Распространение повторов Alu человека по геному: формирование кластеров и особенности участков встраивания. - Молекулярная биология, 1989, т.23, Л 2, с.526-536.

18. Капитонов В.В. Компьютерная система исследования свойств перемещающихся последовательностей.- Сб."Компьютерные методы анализа генетических макромолекул",ИЦиГ СОАН СССР, Новосибирск, 1989, с.65-89.

14. Kapltonov V.V. Evolution of genome containing noblle genetic elements.- 9 International Confer. "The Origin of Life, Prague, 1989, p.319-320.

15. Kapltonov V.V. The Influence of the "molecular memory" on the lntragenome evolution of the mobile genetic elements. - International Confer."Modelling and computer methods In molecular biology and genetics", Novosibirsk,1990,p.160.