Изучение генной экспрессии при адаптации к гипотоническим условиям на примере трехиглой колюшки (Gasterosteus aculeatus)

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ Трехиглая колюшка (Gasterosteus aculeatus) (рис. 1) является модельным объектом для изучения процесса адаптивного видообразования при смене мест обитания [1], поскольку ее морская форма колонизирует пресноводные места обитания по всему побережью Северного полушария. Морская популяция трех иглой колюшки обычно использует пресноводные ручьи и озера для нереста, но при изоляции в новых условиях образуется пресноводная резидентная популяция, морфотип которой со временем изменяется и появляются другие особенности, позволяющие вы жить в новых условиях. Такая особенность позволяет использовать эту небольшую рыбу в качестве объекта для изучения адаптивной эволюции в сходных условиях обитания. К настоящему времени опубликован ряд работ, по священных полногеномным изменениям, происходящим в процессе адаптационного видообразования у трехиглой колюшки [2-4], в которых были обнаружены геномные островки дивергенции, где кон центрируются нуклеотидные замены, характерные для пресноводной формы. Известны исследования, описывающие дифференциальную экспрессию генов колюшки в тканях почек морской и пресноводной форм и при пересадке пресноводной формы в мор скую воду [5], а также в мышцах, эпителиальной и костной тканях морских и пресноводных популяций колюшки при изучении пластичности экспрессии генов в ходе колонизации пресноводных мест обитания [6]. Кроме того, оценивали дифференциальную экспрессию генов G. aculeatus в тканях почки и селезенки озерных и речных особей при изучении иммунного ответа на паразитическую фауну [7]. Различия в экспрессии генов у морских и пресно водных форм достаточно широко изучают и на других объектах. Особенно удобны для этого диадромные рыбы, которые могут жить как в морской, так и в пресной воде, поскольку у них есть физиологические механизмы адаптации к воде разной солености. Кроме того, методом RNA-seq изучали глобальные изменения экспрессии генов у морских и пресноводных форм таких видов, как айю Plecoglossus altivelis [8], японский речной угорь Anguilla japonica [9], европейский угорь A. anguilla [10], тиляпия Oreochromis mossambicus [11, 12], фундулус гете роклитус Fundulus heteroclitus [13], обыкновенный лаврак Dicentrarchus labrax [14], нерка Oncorhynchus nerka [15], арктический голец Salvelinus alpinus [16]. В большинстве случаев методом RNA-seq изменения экспрессии генов после изменения внешних условий изучали, используя жабры в качестве целевой ткани. Были выявлены категории онтологии генов (GO, Gene Ontology), которыми обогащены экс периментальные группы, предложены метаболические и биохимические пути, играющие важную роль в адаптации к изменениям осмотических условий. В частности показано, что при смене осмотических условий изменяется экспрессия генов, кодирующих белки-транспортеры и ионные каналы [12], генов, отвечающих за клеточный рост и пролиферацию, апоптоз и молекулярный транспорт, синтез белков и энергетический обмен [9, 11, 13]. Отдельно хочется отметить активное участие в этом процессе транскрипционных факторов [15], что говорит об обширном эффекте смены осмотических условий на генную экспрессию. Изучение экспрессии генов может пролить свет на такие фундаментальные проблемы генетики, как связь структуры и функций эукариотического генома. Принято считать, что в эукариотическом геноме гены располагаются случайным образом, не образуя каких-либо функциональных кластеров, сходных с бактериальными оперонами. Однако существуют свидетельства ошибочности данного утверждения - статистический анализ полногеномных данных и данных транскрипционного анализа показал, что в геноме эукариот гены расположены не случайным образом, а организованы в совместно экспрессируемые кластеры [17, 18]. Более того, показано, что гены арктического гольца [16], ортологичные генам трехиглой колюшки, которые дифференциально экспрессируются в жабрах рыб из пресной и морской воды, располагаются друг к другу значимо ближе, чем при случайном расположении, что подтверждает гипотезу о кластерной организации эукариотического генома. Однако эти данные было бы интересно со поставить с экспрессией генов трехиглой колюшки. В данной работе приведены результаты RNA-seq анализа генов, экспрессируемых в жабрах морских и пресноводных особей трехиглой колюшки, определены гены, уровень экспрессии которых значимо отличается у этих двух форм. Мы использовали жабры в качестве целевой ткани, потому что они игра ют важную роль в водно-солевом обмене, а также их легко выделить, что уменьшает ошибки, связанные с отбором материалов для исследования. Определена геномная локализация дифференциально экспрессируемых генов. Для каждой хромосомы определено отношение межгенных расстояний таких генов к среднему по хромосоме. Проведен функциональный и Gene Ontology-анализ, определены биохимические пути, обогащенные найденными генами, полученные данные сравнили с данными, ранее опубликованными для других видов. Определено отношение дифференциально экспрессируемых генов к геномным «островкам дивергенции», участвующим в адаптации трехиглой колюшки к пресноводному обитанию [4]. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Образцы морской трехиглой колюшки (далее по тексту используется идентификатор - «M») были собраны в Белом море, близ Беломорской биологической станции МГУ им. Н.А. Перцова (ББС МГУ, пос. Приморский Мурманской области). Пресноводные образцы (далее по тексту используется идентификатор - «F») собраны в оз. Машинное, недалеко от поселка Чкаловский, Лоухский район, Республика Карелия. Примерный возраст озера после опреснения составляет, согласно расположению над уровнем моря, 700 лет [4, 19]. В озере представлена только жилая пресноводная форма, так как ручей, вытекающий из озера и впадающий в море, заболочен и непроходим для анадромной колюшки. Кроме того, опасность ошибки сбора уменьшается благодаря значительным морфологическим отличиям морской и пресноводной форм [20]. Для синхронизации физиологического статуса образцов отбирали только самцов в брачном наряде. Собранные образцы выдерживали в течение 4 сут каждый в своей воде в аквариумах на ББС, чтобы синхронизировать стрессовый фактор, который может отличаться в зависимости от разных условий лова. После этого выделяли жабры и фиксировали их в реагенте IntactRNA® («Евроген», Россия). РНК из жаберных тканей G. aculeatus (по пять образцов из каждой экспериментальной группы) выделяли согласно стандартному протоколу с применением реагента TRIzol® (Invitrogen, США). Концентрацию РНК из каждого образца определя ли с помощью прибора BioAnalyzer 2100 (RNA 6000 Nano Kit) (Agilent, США). Для получения библиотек кДНК сначала на матрице РНК синтезировали кДНК с помощью набора ре активов Mint® («Евроген», Россия) согласно инструкциям фирмы. Затем, используя NEBNext Library Prep Kit for Illumina (NEB, Великобритания), приготовили 10 индексированных парно-концевых библиотек для секвенирования на анализаторах Illumina (Illumina, США). Концентрацию и степень чистоты библиотек определяли с помощью прибора Agilent Bioanalyzer 2100 (Agilent Technologies, США), после чего проводили секвенирование на Illumina HiSeq 1500 длиной 2 × 75 нуклеотидов. Для выявления генов, дифференциально экспрессируемых в морских и пресноводных образцах трех иглой колюшки, нуклеотидные чтения Illumina кар тировали на референсный геном G. aculeatus из базы данных Ensembl (BROAD S1, Feb 2006, assembly 81; http://www.ensembl.org) [21], используя программный пакет bowtie2 [22] с набором параметров - very-sensitive-local. В итоге получили файлы фор мата SAM (Sequence Alignment/Map) [23], которые подвергли дальнейшему процессингу (компрессия, сортировка, индексирование) с помощью пакета SAMtools [23, 24]. Относительную активность каждого гена определяли согласно покрытию этого гена нуклеотидными чтениями на референсном геноме после картирования каждой библиотеки. Покрытие определяли с помощью утилиты coverageBed из программного пакета bedtools [25], используя bed-файл с координатами генов из Ensembl и индексированный bam-файл, полученный в результате картирования нуклеотидных чтений. Данные картирования для каждой библиотеки собирали в единую таблицу с помощью perl-скрипта. Статистический анализ дифференциальной экспрессии проводили с помощью пакета edgeR [26] среды для статистических вычислений R (http://www.r-progect.org). Анализ генных онтологий (GO - Gene Ontology) и анализ биохимических путей проводили с помощью программы PANTHER (Protein Annotation through Evolutionary Rela-tionships) (http://pantherdb.org) [27], предварительно переведя Ensembl ID генов колюшки в ортологичные гены человека с помощью BioMart Ensembl service, поскольку эта программа не использует геном трехиглой колюшки в качестве референсного для поиска обогащенных категорий GO. Данная утилита использует библиотеки GO PANTHER, основанные на моделях, использующих алгоритм скрытых марковских цепей выявления обогащенных категорий. При этом используются как «полные», так и сокращенные GO slim-категории. Межгенные расстояния для полного набора генов трехиглой колюшки сравнивали с расстояниями между генами, ответственными за осморегуляцию, используя perl-скрипт. Используя координаты генов на каждой хромосоме (указаны в bed-файлах из ftp сервера Ensembl), измеряли расстояние от каждого гена до всех остальных генов данной хромосомы, и так для всех генов генома, получая массив межгенных расстояний в нуклеотидах. Аналогичную процедуру проводили только для тех генов, которые дифференциально экспрессировались в жабрах морских и пресноводных особей. Два полученных массива мы передавали в функцию t.test среды для статистических вычислений R, получая показатели различия двух массивов. Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Комплекс моделирования и обработки данных исследовательских установок мегакласса» НИЦ «Курчатовский институт», http://ckp.nrcki.ru. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Первоначально для изучения дифференциальной экспрессии нами было отобрано по пять образцов колюшки из морской и пресноводной популяций, однако при приготовлении библиотек кДНК два образца (по одному из каждой популяции) имели низкое качество и были исключены из последующего анализа. Таким образом, получены по четыре кДНК-библиотеки, при годные для секвенирования на платформе Illumina. Общее количество чтений длиной 75 нуклеотидов каждое составило 85438630 и 110690898 в библиотеках из морских и пресноводных образцов соответственно. Нуклеотидные чтения (всего 177664427) картировали на гены, аннотированные в геноме G. aculeatus, из базы данных Ensembl. Информация о количестве нуклеотидных чтений, полученных в результате эксперимента, и статистике картирования приведена в табл. 1. После картирования данных на геном G. aculeatus подсчитывали нуклеотидные чтения, картированные на каждый из аннотированных генов трехиглой колюшки и нормировали активность каждого гена с по мощью пакета edgeR. С использованием данных по покрытию аннотированных генов был построен MDS (Multi Dimensional Scaling) график, на котором расположение образцов соответствует различиям в экспрессии их генов. Выявлены ощутимые различия в экспрессии генов в морских и пресноводных образцах колюшки. Вместе с тем, образцы каждой группы образуют до статочно тесный кластер (за исключением морского образца M4), что указывает на хорошую синхронизацию физиологических процессов между изучаемыми образцами (рис. 2). Дифференциальную экспрессию определяли с помощью пакета edgeR [26], который вычисляет дисперсию показателя экспрессии для каждого гена. Дифференциально экспрессируемыми считали гены, величина активности которых отклоняется от среднего значительно больше величины дисперсии. При вычислении дифференциальной экспрессии также имеет значение степень активности гена - для слабо экспрессируемых генов отклонение от среднего должно быть выше, чтобы разница в экспрессии признавалась достоверной. Рис. 3 иллюстрирует вышесказанное - дифференциально экспрессируемым (красные точки) считали ген, экспрессия которого не только значительно отклонялась от среднего значения, но и наблюдался ее достаточно высокий уровень. При сравнении образцов морских и пресноводных особей выявлено статистически значимое отличие в экспрессии 2982 из 22456 аннотированных генов G. aculeatus (уровень значимости 95%). При этом у морских колюшек была повышена экспрессия 1304 генов и 1678 у пресноводной формы. В табл. 2 представлены 10 генов, экспрессия которых наиболее отличается у особей разных экотипов. На рис. 4 в графическом виде представлены результаты дифференциального анализа 50 генов, уровень экспрессии которых наиболее существенно различается в экспериментальных группах трехиглой колюшки. Показано (как и в случае MDS-графика), что морские и пресноводные особи достаточно сильно различаются по уровню экспрессии некоторых генов (судя по кластеризации образцов вверху рисунка). Более того, среди 50 проанализированных генов пре обладают гены, экспрессия которых повышена в морских образцах. Результаты функционального анализа при ведены на рис. 5. Гены, обогащенные среди UP экспрессированных («переэкспрессированных») в жабрах морской колюшки, отклонены вправо от начала координат, тогда как DOWN-экспрессированные - влево. UP- и DOWN-экспрессированные гены можно интерпретировать как морские и пресноводные соответственно. Кроме того, среди дифференциально экспрессируемых морских генов статистически значимо повышено количество генов, относящихся к категориям, связанным с трансмембранными функциями и цитоскелетом, например, та кие категории, как с активностью ионных и анионных каналов, трансмембранных транспортеров, субстрат специфической трансмембранной транспортной активностью и другими категориями, связанными с мембранами. Это вполне логично и объясняется тем, что для поддержания внутриклеточного гомеостаза в разных осмотических условиях необходима значительная активность трансмембранных систем. Среди генов, экспрессия которых повышена у пресноводных особей, много генов, относящихся к категориям, связанным с клеточным циклом - репликацией ДНК, митозом, сегрегацией хромосом, а также с категориями, связанными с внутриклеточным транспортом и микротрубочками. Различия в процессах клеточного деления могут быть связаны с разной скоростью развития колюшки в море и в пресной воде, что, в свою очередь, может определяться температурным режимом. Однако этот феномен требует дальнейшего изучения и объяснения. Среди дифференциально экспрессируемых генов морской формы повышено содержание генов, связанных с мышечной активностью, что можно объяснить, например, необходимостью морских самцов колюшки перед брачным сезоном мигрировать к побережью, где происходит нерест, тогда как у пресноводных форм такой необходимости нет, так как нерест у них происходит непосредственно в месте обитания. Различия в иммунных процессах у двух форм колюшки, по-видимому, могут быть связаны с различиями в пресноводной и морской паразитической фауне, поражающей колюшку [28]. Полученные нами результаты довольно слабо соответствовали данным для других видов рыб [9, 11-13, 15]. Связано ли это с методическими особенностями функционального анализа списков генов или действительно разные виды по-разному адаптируются к солевым условиям? Этот вопрос остается открытым и требует более углубленных исследований. Однако есть свидетельства в пользу того, что ответ на изменение осмотических условий может быть индивидуальным. Например, исследование изменений генной экспрессии в жабрах двух родственных линий арктического гольца (S. alpinus) позволило обнаружить 1045 и 1544 генов дифференциально экспрессирующихся в каждой из этих линий соответственно [16]. При этом общими были лишь 257 генов, т.е. менее чем у четверти генов, реагирующих на изменение осмотических условий, экспрессия из меняется сходным образом. И это у представителей одного вида! Согласно определению межгенных расстояний для полного набора генов трехиглой колюшки и расстояний между генами, участвующими в осморегуляции, распределение дифференциально экспрессируемых генов по хромосоме действительно неслучайно. Так, только у семи из 21 хромосомы трехиглой колюшки расстояния между генами, регуляция которых изменяется при смене осмотических условий, статистически не отличаются от меж генных расстояний для других генов (табл. 3). Это подтверждает гипотезу о том, что гены в эукариотическом геноме распределены не случайно, а объединены в совместно экспрессируемые кластеры [17, 18]. Этот результат свидетельствует в пользу того, что мы до сих пор мало знаем об устройстве эукариотического генома. Опубликованные ранее результаты поиска одно нуклеотидных полиморфизмов в геноме трехиглой колюшки, ассоциированных с морской и пресноводной формами [3, 4], показали, что подобные поли морфизмы преимущественно локализуются на небольших участках генома, названных «островками дивергенции». Мы сопоставили локализацию выявленных нами дифференциально экспрессируемых генов с положением островков дивергенции, участвующих в адаптации колюшки к обитанию в пресной воде. Из 2982 дифференциально экспрессируемых генов 28 находятся в островках адаптивной дивергенции, что значительно превышает количество случайных совпадений. Всего в островках дивергенции находятся 212 из 29245 аннотированных генов трех иглой колюшки (согласно тесту Пуассона Р-значение равно 0.0001). Этот факт представляется вполне закономерным, поскольку если в определенных локусах находятся однонуклеотидные полиморфизмы, которые отличаются у морских и пресноводных образцов трехиглой колюшки, то логично предположить, что в этих локусах с большой вероятностью будет отличаться и экспрессия генов, хотя бы по тому, что часть полиморфизмов может находиться в регуляторных элементах генов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Суммируя результаты, приведенные в нашей работе, можно отметить, что применение современных методов параллельного секвенирования для определения активности генной экспрессии позволяет определить массив генов и спектр механизмов, вовлеченных в исследуемый процесс. На примере устойчивости трех иглой колюшки к изменению осмотических условий показано, что гены, экспрессия которых меняется при осмотическом ответе, активно участвуют в таких процессах, как регуляция клеточного цикла, мембранный транспорт, иммунитет, мышечные сокращения и т.д. Вместе с тем, сравнение обогащенных категорий дифференциально экспрессированных генов с результатами, полученными ранее на других объектах, показало невысокую универсальность молекулярных механизмов приспособления к смене условий обитания. Этот феномен требует дальнейшего исследования.

Об авторах

С. М. Расторгуев

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Автор, ответственный за переписку.
Email: rastorgueff@gmail.com
Россия

А. В. Недолужко

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: rastorgueff@gmail.com
Россия

Н. М. Груздева

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: rastorgueff@gmail.com
Россия

Е. С. Булыгина

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: rastorgueff@gmail.com
Россия

С. В. Цыганкова

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: rastorgueff@gmail.com
Россия

Д. Ю. Ощепков

Институт цитологии и генетики, ФИЦ ИЦИГ СО РАН

Email: rastorgueff@gmail.com
Россия

А. М. Мазур

Институт биоинженерии, ФИЦ Биотехнологии РАН

Email: rastorgueff@gmail.com
Россия

Е. Б. Прохорчук

Институт биоинженерии, ФИЦ Биотехнологии РАН; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: rastorgueff@gmail.com
Россия

К. Г. Скрябин

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»; Институт биоинженерии, ФИЦ Биотехнологии РАН; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: rastorgueff@gmail.com
Россия

Список литературы

Дополнительные файлы