Моделирование процессов молекулярной эволюции при различных сценариях видообразования

Изучение нейтральной молекулярной эволюции представляет большой интерес для понимания истории эволюции организмов и механизмов формирования биологического разнообразия. На сегодняшний день накоплено большое количество данных о последовательностях ДНК множества организмов. В связи с этим существует проблема извлечения информации из этих последовательностях ДНК с целью восстановления эволюционной истории. Разработан ряд методов, называемых молекулярно-филогенетическим анализом (Wen-Hsiung Li, 1997; Page D.M., и др., 1998), для реконструкции истории эволюции организмов на основе генетических данных. Все методы филогенетического анализа основаны на гипотезе молекулярных часов и теории нейтральной молекулярной эволюции, предложенных М. Кимурой (Kimura М., 1968; Kimura М., и др., 1969; Кимура М., 1985). Однако проблема извлечения всей полноты данных из ДНК-последовательностей организмов остается открытой, в основном это связано с тем, что при малых временах, прошедших с момента репродуктивной изоляции между видами, традиционные методы филогении не дают достоверной информации о последовательности и времени видообразовательных событий (Wen-Hsiung Li, 1997). Также трудности вызывает изучение видов (популяций) между которыми вероятен вторичный генетический контакт.

Весь спектр вышеописанных проблем зачастую объясняется тем, что существует очень ограниченное количество примеров с достоверно известной эволюционной историей, которые можно было бы использовать для сравнения реальных данных об эволюции с данными полученными методом молекулярной филогении. Используя эту информацию, можно было бы отследить как те или иные эволюционные процессы влияют на ход нейтральной молекулярной эволюции.

С другой стороны, с развитием подхода адаптивной динамики и методов индивидуально ориентированного моделирования (Dieckmann U., и др., 1999; Doebeli М., и др., 2000; Dieckmann U., и др., 2004) появилась возможность теоретического изучения эволюции. Данный подход позволяет конструировать индивидуально-ориентированные модели различной сложности и исследовать различные сценарии эволюционного процесса. Преимуществом данного метода изучения эволюции является его максимальная приближенность к процессам, происходящих в реальных, природных популяциях организмов, поскольку индивидуально-ориентированные модели воспроизводят «судьбу» отдельных модельных «организмов» в популяции и оперируют характеристиками каждого «организма» модели.

Существует возможность использовать модели адаптивной динамики для изучения нейтральной молекулярной эволюции. Для этого необходимо добавить к характеристикам «организмов» индивидуально-ориентированной модели нейтральные маркеры в виде последовательностей «ДНК». Нейтральные «нуклеотидные» последовательности в такой модели должны передаваться от родителей к потомству с вероятностью мутации, имитируя процесс нейтральной молекулярной эволюции. В финале работы такой модели будут известны нейтральные нуклеотидные последовательности и реальная история эволюции модельных организмов. Сопоставляя, полученные таким образом данные, можно исследовать различные сценарии эволюционного процесса и соответствующую этому сценарию нейтральную молекулярную эволюцию. Далее, если характер генетического полиморфизма, какой либо естественной популяции организмов будет соотноситься с модельными данными, то можно сделать предположение о том, что процессы, протекавшие в реальной популяции, были похожи на процессы в индивидуально ориентированной модели видообразования.

Вопрос о формировании генетического разнообразия на ранних стадиях процесса видообразования также может быть легко изучен с помощью подхода адаптивной динамики и индивидуально ориентированного моделирования. Если интервал времени, вычисляемый в количестве поколений, прошедший с момента репродуктивной изоляции групп организмов, меньше или равен четырем эффективным размерам популяции, то традиционные методы филогении не способны оценить эволюционную историю (Wen-Hsiung Li, 1997; Page D.M., и др., 1998). С другой стороны известно^ что распределение попарный генетических дистанций легко реагирует на популяционные процессы, продолжительность которых соизмерима с данным промежутком времени (Rogers A.R., и др., 1992; Polanslci А., и др., 1998). Отслеживая изменения в распределении генетических дистанций в индивидуально-ориентированных моделях в процессе видообразования можно изучить как время (в количестве поколений), прошедшее с момента эволюционного ветвления, влияет на данное распределение.

Важным является вопрос о совместном использовании молекулярно-генетических данных и других характеристик организмов. В большинстве случаев исследователю известны не только ДНК последовательности организмов, но и такие характеристики, как фенотипические особенности, место локализации и т. д. Используя эти данные, можно делить организмы на группы по схожести характеристик. Информацию о принадлежности организма к той или иной группе можно использовать для построения межгруппового распределения попарных генетических дистанций. Процесс изменения данного распределения со временем, прошедшим с момента видообразования (репродуктивной изоляции), также можно изучать с помощью индивидуально-ориентированных моделей адаптивной динамики. Наибольший интерес представляет совместное рассмотрение судьбы общего и межгруппового распределения попарных нуклеотидных отличий при одном и том же сценарии эволюции.

Что касается конкретных сценариев (способов) видообразования то большинство исследователей выделяют в основном три механизма: это аллопатрическое видообразование (полная географическая изоляция популяций), симпатрическое видообразований (видообразование в однородной среде с полным перемешиванием) и парапатрическое видообразование (разделение формирующихся видов в пространстве с наличием зон контакта). Можно выделить особый тип видообразовательных процессов связанных с совместным влиянием представителей нескольких видов друг на друга, данный способ видообразования носит название коэволюцией. Частным случаем процесса коэволюции служит пример популяций организмов, взаимодействующих по типу «хищник-жертва» (или паразит-хозяин). С помощью моделей коэволюции можно исследовать такой важный вопрос как влияние интенсивности межвидового взаимодействия на фенотипическую молекулярную эволюцию.

На данный момент разработан широкий спектр индивидуально-ориентированных моделей адаптивной динамики. Среди них есть модели изучающие процессы симпатрического'- (Dieckmann U., и др., 1999), парапатрического видообразовании (Doebeli М., и др., 2000) и процессы коэволюции (Doebeli М., и др., 2000; Talcasu F., 2003). По сложности реализации все эти модели можно разделить следующим образом: модели смпатрического видообразования (организмы имеют только фенотипические характеристики), модели парапатрического видообразования (организмы имеют фенотипические характеристики и координаты положения в пространстве), модели коэволюции.

Наибольший интерес, как правило, вызывают те модели, которые имеют аналоги в реальной действительности. Хорошо известно, что в большинстве древних озер наблюдается аномально большой видовой состав организмов. Молекулярно-генетические исследования показали, что большинство видов организмов сформировалось в пределах замкнутой экосистемы древнего озера, то есть все эти организмы являются представителями эндемичных букетов видов. Хотя механизмы, которые привели к формированию биоразнообразия в древних озерах, еще недостаточно изучены, по мнению некоторых исследователей, древние озера являются естественной лабораторией по изучению эволюционных процессов.

Кожов М. 1962). Возможно, что теоретические модели, основанные на подходе адаптивной динамики, помогут решить проблемы понимания механизмов формирования видового и молекулярного разнообразия в древних озерах. Одним из наиболее интересных объектов моделирования является литораль древнего озера, которая приближенно представляется одномерным замкнутым ареалом обитания. Организмы в такой модели кроме фенотипических характеристик будут иметь характеристику положения в пространстве. В данном случае на характер взаимодействия влияют пространственные координаты организмов. Одним из добавочных факторов, определяющих ход видообразования, в такой модели будет биологическая подвижность организмов.

Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка методов анализа молекулярно генетических данных для определения сценариев эволюционного процесса и применение этих методов для изучения механизмов формирования современного видового разнообразия озера Байкал. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1) Разработать индивидуально-ориентированные модели симпатрического видообразования, видообразования в одномерной замкнутой популяции (модель видообразования в популяции организмов, населяющих литораль древнего озера) и модель коэволюции организмов, взаимодействующих по типу хищник-жертва на основе подхода адаптивной динамики с добавлением нейтральных эволюционных маркеров в виде последовательностей «ДНК».

2) На основе модели симпатрического видообразования изучить влияние ранних этапов репродуктивной межпопуляционной (межвидовой) изоляции на общее и межгрупцовое распределение попарных генетических различий.

3) Изучить влияние биологической подвижности организмов на ход видообразовательного процесса в модели одномерной замкнутой популяции. •;

4) Изучить влияние межпопуляционных (межвидовых) контактов на формирование молекулярно-генетического разнообразия с помощью модели одномерной замкнутой популяции.

5) Изучить влияние интенсивности межвидового взаимодействия в модели коэволюции на ход видообразования и нейтральной молекулярной эволюции.

Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые реализуется применение подходов адаптивной динамики для изучения нейтральной молекулярной эволюции. В данной работе разработан ряд индивидуально-ориентированных моделей на основе подхода адаптивной динамики, в которых «организмы» имеют нейтральные маркеры виде «ДНК последовательностей». Одной из оригинальных моделей, впервые предложенной в данной работе, является модель эволюции организмов в одномерной замкнутой популяции, имитирующей видообразовательные процессы литорали глубокого озера. На основе разработанных моделей впервые было изучено влияние начальных этапов эволюционного ветвления на общее и межгрупповое распределение попарных нуклеотидных различий. Впервые установлена возможность применения межгруппового распределения генетических различий для определения времени дивергенции между видами (популяциями) организмов (в количестве замен) при неразрешенных случаях филогенетического анализа. Данная работа является одной из первых, где изучается роль вторичных межвидовых и межпопуляционных генетических контактов в формировании генетического полиморфизма. На основе модели коэволюции организмов взаимодействующих по типу хищник-жертва (паразит-хозяин) делаются выводы о роли интенсивности межвидового взаимодействия в видообразовательном процессе и процессе нейтральной молекулярной эволюции.

Разработанный в данной работе подход изучения нейтральной молекулярной эволюции открывает широкие перспективы в исследовании реальных генетических данных. Использование индивидуально-ориентированных моделей может сыграть большую роль в объяснении механизмов формирования наблюдаемого генетического разнообразия различных видов и популяций организмов.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на международных конференциях «Conference on mathematical modeling of population dynamics» (Бедлоо, Польша, 2002) — «Speciation in ancient lakes» (Иркутск, Россия, 2002) — «Tools for mathematical modeling» (Санкт-Петербург, Россия, 2003), на международном симпозиуме «Dynamical Systems Theory and itsApplications to Biology and Environmental Sciences» (Щизуока, Япония,.

2004), а также на международных конференция: «European Conference on Mathematical and Theoretical Biology» (Дрезден, Германия, 2005) и на «Четвертой верещагинской байкальской конференции» (Иркутск, Россия,.

2005).

Выводы.

1) С целью изучения взаимосвязей' процессов ' видообразования и нейтральной молекулярной эволюции впервые проведено добавление нейтральных маркеров в виде последовательностей «ДНК» в индивидуально-ориентированную модель симпатрического видообразования, а также разработаны индивидуально-ориентированные модели видообразования в одномерной замкнутой популяции и коэволюции организмов, взаимодействующих по типу хищник-жертва.

2) При анализе нейтральных молекулярно генетических маркеров, полученных в модели симпатрического видообразования, впервые была определена взаимосвязь между ' ' временем прошедшем с момента репродуктивной изоляции и формой общего и межгруппового распределения попарных генетических отличий. Установлено, что при наличии достоверных различий между общим и межгрупповым распределением генетических дистанций, положение пика на межгрупповом распределении генетических различии соответствует генетической дистанции между изучаемыми' группами организмов.

3) Исследование модели видообразования в одномерной замкнутой популяции показало зависимость. наиболее вероятного типа видообразовательиого процесса от биологической подвижности организмов, при увеличении биологической подвижности происходит постепенный переход от аллопатрического видообразования к парапатрическому и затем к симпатрическому.

4) С' помощью: модели видообразования в одномерной замкнутой популяции установлено, что распределение попарных генетических различий, построенное по финальным значениям молекулярно генетических маркеров песет в себе информацию об истории генетических контактов.

5) Анализ внутривидового полиморфизма генетического маркера сох! различных групп байкальских полихет' вида МапауипкХа godlewskii с помощью общего и межгруппового распределения генетических различий показал наличие корреляции между генетической дистанцией и удаленностью организмов в пространстве.

6) В модели коэволюци организмов взаимодействующих по типу хищник — жертва установлено, что увеличение интенсивности влияния хищника препятствует видообразованию в популяции жертвы. Также установлено, что для устойчивого видообразлвания хищника вслед за видообразованием в популяции жертвы необходима более высокая скорость эволюции в популяции хищника.

7) Анализ нейтральной молекулярной эволюции в модели коэволюци организмов взаимодействующих по типу хищник — жертва показал отсутствие влияния хищника на скорость накопления замен в популяции жертвы при отсутствии возрастного предпочтения у хищников при выборе жертвы.

150 ¦

Заключение

.

В результате выполнения работы были разработаны три модели видообразования на основе подхода адаптивной динамики: а) модель # симпатрического видообразования, б) модель видообразования в одномерной замкуиутой популяции (модель эволюции организмов, населяющих литораль глубокого озера), в) модель коэволюции организмов, взаимодействующих по типу хищник — жертва. Таким образом, спектр разработанных моделей охватывает основной список экологических способов взаимодействия организмов и известных механизмов видообразования. Особенностью всех трех моделей является наличие у каждого организма модели нейтрального маркера в виде «нуклеотидной» последовательности, передающейся от родителей к потомству по модели митохондриальной ДНК. Это позволяет в ф финале работы каждой модели восстановить эволюционную историю по нейтральным маркерам и сравнить ее с реальным видообразованием организмов в модели.

В данной работе был разработан и программно реализован алгоритм для построения общего и межгрупиового распределения попарных генетических различий с использованием стандартной матрицы генетических дистанций. Преимуществом данного метода построения распределения, является параметрическая независимость в отличие от полигона частот и гистограммы распределения, результат работы которых зависит от выбора интервала на оси исследуемой величины.

Для определения степени дивергенции (разобщенности) двух исследуемых групп организмов в пространстве генетических и других характеристик организмов был разработан и программно реализован специальный метод, названный мерой дивергенции организмов. При анализе ^ генетических данных разработанный метод использует стандартную матрицу попарных генетических расстояний.

Так как основной целью исследования было изучение характера молекулярной эволюции организмов при различных сценариях эволюционного процесса, то в первую очередь во всех вышеперечисленных моделях выявлялся характер поведения эволюционного процесса с целью получения различных сценариев эволюции, затем проводился анализ молекулярно-генетических данных для интересующих нас сценариев эволюции.

Для модели симпатрического видообразования выбирались такие значения параметров, при которых наблюдалось устойчивое ветвление (видообразование). В результате в финале каждой симуляции на выходе были получены фенотипические и генетические данные. Фенотипические данные использовались для разделения организмов на группы, принадлежащие определенному фенотипическому кластеру, затем данные о группах использовались для построения межгрупповых распределений попарных генетических отличий.

Анализ молекулярных данных, полученных на разных этапах видообразовательного процесса в данной модели, показал, что если с момента ветвления организмов в пространстве фенотипа прошел небольшой промежуток времени, то филогенетические методы, основанные на анализе попарных генетических дистанций, не показывают разрешенную структуру филогенетического древа, хотя в фенотипическом пространстве видна ясная картина видообразования. Анализ тех же данных показал, что процесс диверсификации организмов в пространстве фенотица (прекращение генетического контакта между популяциями из-за процесса фенотипической изоляции) изменяет форму общего и межгруппового распределения попарных нуклеотидных различий на ранних этапах эволюционного процесса. В отличие от теоретически рассчитанной формы общего распределения генетических дистанций' для свободно скрещивающейся популяции (Rogers A.R., и др., 1992; Polanski А., и др., 1998), генетическая изоляция ведет к формированию вторичного пика на распределении, тот же самый пик будет виден и на межгрупповом распределении.

Совместное рассмотрение реальной модельной истории эволюции филогенетических деревьев и распределения генетических дистанций показало, что положение основного-пика на межгрупповом распределении попарных генетических дистанций указывает на количество замен, прошедших с момента фенотипической изоляции. Это обстоятельство можно использовать для нахождения генетической дистанции между популяциями организмов даже в тех ситуациях, когда классические методы филогенетического анализа не дают разрешенной картины.

Изучение генетических данных с помощью межгруппового распределения попарных генетических дистанций показало, что реальная генетическая дивергенция организмов двух групп при симпатрическом видообразовании происходит раньше их полной фенотипической изоляции, что согласуется с современными представлениями о видообразовательном процессе (^Уеп-Нзшг^ 1л, 1997).

Так же был оценен генетический полиморфизм организмов с помощью меры дивергенции организмов и критерия Слаткина. Был найден диапазон значений данных критериев, при которых в модели симпатрического видообразования наблюдается разрешенная картина филогенетического анализа.

При изучении модели одномерной замкнутой популяции было установлено, что биологическая подвижность организмов является одним из основных факторов, влияющих на тип виообразовательного процесса. При увеличении биологической подвижности происходит постепенный переход от аллопатрического видообразования к парапатрическому и затем к с иМ1 гатр и чес кому.

Изучение генетических данных модели видообразования в одномерной замкнутой популяции показал, что интенсивность и (или) продолжительность вторичных генетических контактов между популяциями организмов, разделенных в фенотипическом и (или) физическом пространстве может влиять на картину нейтральной молекулярной эволюции. В некоторых модельных ситуациях непродолжительный генетический контакт не менял ход нейтральной молекулярной эволюции. Продолжительный генетический контакт напротив делал невозможным использование методов филогенетической реконструкции для анализа времени прошедшего с момента образования изучаемых групп организмов. Было установлено влияние вторичных генетических контактов на форму распределения генетических дистанций. Генетические данные об естественных популяциях литоральных организмов в целом продемонстрировали корреляцию с результатами модельных расчетов.

Численные расчеты по модели коэволюции, организмов взаимодействующих по типу хищник — жертва, продемонстрировали влияние хищника на ход фенотипической эволкщии в популяции жертвы. Было установлено, что сильное влияние хищника нарушает процесс видообразования в популяции жертвы. В тоже время для устойчивого ветвления хищника вслед за видообразованием жертвы необходима более высокая скорость фенотипической эволюции по сравнению с жертвой. Данное обстоятельство может реализовываться через более высокую скорость накопления молекулярных замен у хищника по сравнению с жертвой, косвенные подтверждения этого были найдены в экспериментальных работах (Castro L.R., й др., 2002).,.

Анализ генетических данных в модели хищник — жертва показал отсутствие влияния хищника на скорость накопления замен в популяции жертвы. При данной конструкции модели хищник не изменял среднюю продолжительность жизни жертв, менялась только численность популяции жертвы при увеличении влияния хищника. Данное обстоятельство связанно с отсутствием возрастного предпочтения у хищника.