miR-662

Микро-РНК и
эволюционное
становление человека
современного типа
Н.А. Колчанов, К.В. Гунбин, Д.А. Афонников, А.П. Деревянко
Институт цитологии и генетки СО РАН
Институт археологии и этнографии СО РАН
Новосибирский государственный университет
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Долина р. Ануй
By A.P. Derevyanko and M.V. Shunkov, IAE SB RAS
В 2007 году ученые Института археологии и этнографии СО РАН под
руководством профессора Деревянко нашли фрагменты тел денисовских
людей, новых эволюционных родичей H. sapiens.
Денисова пещера возле реки Ануй. Алтайские горы
Возраст культурных слоев в Денисовой пещере около 80 тысяч лет.
А.П.Деревянко и М.В.Шунков, ИАЭ СО РАН
Большое число артефактов, найденных в Денисовой пещере,
свидетельствует о высоком уровне интеллекта и технических
способностях H. denisova
Что касается неандертальцев, то многочисленные археологические находки
показывают, что они не были достаточно искусными, чтобы изготовлять
сложные орудия или утонченные артефакты, особенно украшения.
А.П.Деревянко и М.В.Шунков, ИАЭ СО РАН
Секвенирование ДНК из фрагментов тела древнего человека было
проведено S. Paabo в Институте эволюционной антропологии общества
Макса Планка в Лейпциге. Денисовцы близки к современным людям и к
ныне вымершим неандертальцам, но все же отличаются от тех и других.
Геномы ряда представителей современных этнических групп содержат ~ 5%
ДНК денисовцев, что является убедительным доказательством
скрещиваний между предками человека и денисовцами во время их
сосуществования.
миРНК: эволюция H.denisova и H. neandartalensis
~0.6 MYA
~0.8 MYA
~6.2 MYA
~6.5 MYA
~16 -12 MYA
H. neandarthalensis
H. denisova
человек
шимпанзе
горилла
Эволюционное дерево гоминид
и H. denisova/H.neandartalensis
(вымерших родичей H. Sapiens),
чьи геномы секвенированы к
настоящему времени
орангутан
макака (аутгруппа)
В отличие от большинства подходов, сосредоточенных на кодирующих
участках генов, наш подход к анализу геномов человека, других
гоминид, а также древних людей был обращен на регуляторные
механизмы, управляющие экспрессией генов.
Почему мы рассматриваем регуляторные механизмы,
контролирующие экспрессию генов, а не кодирующие участки
генов?
Обширные данные, накопленные к настоящему времени,
показывают, что:
1) самые быстрые и значительные эволюционные преобразования
организмов связаны с изменениями в регуляторных системах и
процессах и
2) мутации, оказывающие действие на регуляторные системы и
процессы, могут иметь наиболее значительные фенотипические
следствия в ходе эволюции.
Созревание и функции миРНК
Ген миРНК
Транскрипция
Дуплекс пре-миРНК
DICER
Пре-миРНК
Расщепление
пре-миРНК
Пре-миРНК
DROSHA
Зрелая миРНК
Ядро
Пре-миРНК
Подавление трансляции
RISC
Рибосома
RISC
Разрушение мРНК
миРНК в комплексе с RISC белком может комплементарно взаимодействовать с мРНК-мишенями,
подавляя их трансляцию или способствуя разрушению мРНК.
Каждая миРНК в геноме человека имеет от десятков до сотни
мРНК-мишеней, являясь кассетным регулятором экспрессии
определенной группы генов.
Поэтому мутации, вызывающие серьезные структурные
повреждения даже в нескольких миРНК, могут сильно влиять на
трансляцию больших групп мРНК-мишеней. Таким образом,
даже одиночная мутация в миРНК может привести к
множественным фенотипическим проявлениям.
мРНК
миРНК
Трансгенные мыши: примеры множественных фенотипических
проявлений, вызванных одиночными нуклеотидными заменами в
генах пре-миРНК (PLoS ONE (2012) 7(1): e30737)
миРНК
mmu-miR-96
mmu-miR717
Замены
A>T
A>G
Фенотипические проявления
Потеря слуха (Lewis et al., 2009)
Истощение, поведение, биохимия крови, общий анализ
крови, липиды крови, прочие свойства крови, строение
тела, вес тела, рост и размеры, кости, мозг, характер
дыхания, рак, сердечно-сосудистые проблемы,
поражения клеток и тканей, уши, эндокринная система,
желчный пузырь, иммунная система, пищевые
предпочтения, почки, печень, мышцы, дыхание,
синхронизация ощущений, селезенка (Kunej et al.,
2010; Zorc et al., 2012)
Поиск генов пре-миРНК в геноме H. denisova
Шаг 1. ENSEMBL-выравнивания геномов шести видов приматов. Картирование 1523
экспериментально верифицированных человеческих пре-миРНК из miRBase на выравнивании.
Отобраны эволюционно консервативные гены человеческих пре-миРНК (ортологи по крайней мере в
одном виде приматов помимо человека).
Человек
Шаг 1
Шаг 2
Pongo
Macaca
Gorilla
Pan
H.d
X
H.s
H.d
Шаг 2. Полученный набор эволюционно консервативных генов миРНК человека и их положения на
хромосомах Homo sapiens были использованы для идентификации ортологов пре-миРНК в геноме H.
denisova.
Шаг 3. Мы исключили из анализа все пре-миРНК с низким качеством секвенирования и неуникальные
пре-миРНК (более 1 копии на геном), чтобы быть уверенными в функциональной значимости пре-миРНК
у древних людей.
H.d
Всего в геноме H. denisova было найдено
1419 миРНК – ортологов человека
Все эти миРНК подразделяются на две группы:
• нейтрально эволюционировавшие миРНК (большинство рассмотренных миРНК);
• миРНК с не нейтральными заменами, нарушающими их структуру и/или
функцию. Всего было выявлено 29 таких пре-миРНК. Из них для 11 имеется
экспериментальная информация по мишеням их ортологов у человека.
miR-609
A
---ug
g
U
gu
aaug
cuc gcuguuccuAGGGUGUU CUCUCAUCUCUg cuau
g
||| ||||||||||||||||| |||||||||||| ||||
gag cgacaaggaucccacaa gggaguagagau gaua
g
ccaag
a
c
#
-aauu
Замены в этой пре-миРНК
найдены на участке зрелой
миРНК, взаимодействующем с
мРНК-мишенью
miR-532
c a
cucuccuc U
A
A
CC uggca
g cuugcuuu
CA GCCUUG GUGU GGA GU
u
| ||||||||
|| |||||| |||| ||| ||
c
c gagcgaaa
GU CGGAAC CACA CCU ca
u
u c
----aaAC U
C
C
CC uuaau
G
#
G
#
Замены в этой пре-миРНК
найдены в позициях, важных
для процессинга и созревания
Идентификация мРНК-мишеней для ортологов миРНК человека из генома
H. denisova
Экспериментально доказанные мРНК-мишени (H.s.)
Humans
H. Denisova
Потенциальные мРНК-мишени (H.d)
Общее число аннотированных миРНК – 543; количество мРНК-мишеней для этих
миРНК - 8124 (т.е. в среднем 16 мРНК-мишеней на 1 миРНК);
Количество аннотированных – мРНК-мишеней для 11 НЕНЕЙТРАЛЬНО
эволюционировавших миРНК– 1102 (т.е. в среднем 100 мРНк на 1 миРНК, что в 6 раз
выше чем для общего пула миРНК).
Поэтому мы называем НЕНЕЙТРАЛЬНО эволюционировавшие миРНК кассетными
МЕГАРЕГУЛЯТОРАМИ экспрессии генов.
starBase ( stores information about tens of thousands of miRNA-targets
in Human mRNAs. The mRNA/miRNA interactions were confirmed by:
(1) CLIP-seq experiment(s) and (2) computer simulations
Информация о числе потенциальных мРНК-мишеней для миРНК H. denisova была получена путем
экстраполяции экспериментально установленных сайтов мРНК/миРНК взаимодействий, описанных в
базе данных starBase для генома человека.
Для вычисления регуляторного потенциала ненейтрально эволюционирующих
миРНК использовались экспериментальные данные о тканеспецифичной экспрессии
18026 человеческих мРНК в 131 тканях, содержащиеся в Gene Expression Barcode
Database (http://rafalab.jhsph.edu/barcode)
Для вычисления регуляторного потенциала ненейтрально
эволюционирующих миРНК использовались экспериментальные данные о
тканеспецифичной экспрессии 20 936 мРНК человека в 2200 структурах
мозга, содержащиеся в Allen Human Brain Atlas:
(http://human.brain-map.org)
/
По всем тканям, описанным в этих базах данных, была
проведена оценка величины регуляторного потенциала
ненейтрально эволюционировавших миРНК
миРНК
RISC
Рибосома
Регуляторный потенциал взаимодействий миРНК/мРНК для
всех не нейтрально эволюционировавших миРНК в k-й ткани:
Jk
real
Lk
Ekj*
Jk
 E
j 1
j*
k
– уровень j-й мРНК-мишени, регулируемой некоторой не
нейтрально эволюционировавшей миРНК, в k-й ткани,
оцененный согласно Gene Expression Barcode Database.
-
общее число мРНК, регулируемых не нейтрально
эволюционировавшими миРНК, в k-й ткани.
simulated
P( L
k
 Lk )
real
100 000 симуляций случайных пулов мРНК
ПРИМЕР 1: Тестирование вклада ненейтрально эволюционирующих
миРНК в регуляцию экспрессии мРНК в энторинальной коре человека
Данные по тканеспецифической экспрессии мРНК взяты из Gene Expression
Barcode Database.
Lreal
k
Lsimulated
k
В случае энторинальной коры p=0.00008.
Вклад ненейтрально эволюционирующих миРНК в регуляцию экспрессии
мРНК в энторинальной коре существенно выше случайного уровня для
этой ткани.
ПРИМЕР 2: Тестирование вклада ненейтрально эволюционирующих миРНК
в регуляцию экспрессии мРНК в миндалинах человека
Данные по тканеспецифической экспрессии мРНК взяты из Gene
Expression Barcode Database.
Lreal
k
Lsimulated
k
В случае миндалины p=0.5408.
Вклад ненейтрально эволюционирующих миРНК в регуляцию экспрессии мРНК в
миндалинах не отличается от случайного уровня для этой ткани.
Gene Expression Barcode Database: объединение результатов по
линиям человека и денисовца.
Отобранные ткани-мишени с повышенным регуляторным потенциалом
мРНК/миРНК взаимодействий, опосредованным ненейтрально
эволюционирующими миРНК
Ткань/орган (Barcode 2.0)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
dorsal root ganglia
hippocampus
entorhinal cortex
superior frontal gyrus
cerebellum
cervix
fallopian tube epithelium
myometrium
ovary
breast lobular cells
cecum
head and neck epithelial cells
Вероятность наблюдения
суммы величин экспрессии (p)
2.00E-05
6.00E-05
8.00E-05
0.00032
0.00054
4.00E-05
2.00E-05
0.00014
0.00014
0.0007
6.00E-05
4.00E-05
Gene Expression Barcode Database
Примеры структур человеческого мозга, ответственных
за сложные интеллектуальные и познавательные
функции, которые характеризуются повышенным
потенциалом регуляторных взаимодействий,
определяемым ненейтрально
эволюционировавшими миРНК
HIPPOCAMPUS (p = 0.00006) играет важную роль в
консолидации информации из оперативной памяти в
долговременную и в ориентировании;
ENTORHINAL CORTEX (p = 0.00008) отвечает за память
и ориентирование;
UPPER FRONTAL GYRUS (p=0.00032) ответственна за
самоосознание;
СEREBELLUS (p=0.00054) ответственен за координацию
движений.
Allen Human Brain Atlas: найдено 48 структур-мишеней
мозга с повышенным регуляторным потенциалом
взаимодействий мРНК с ненейтрально
эволюционировавшими миРНК
Макроструктура
Wernicke's area
Primary visual association
areas
Limbic system
Primary motor area
Primary somatosensory and
Primary somatosensory association
areas
Orbitofrontal cortex
Major association cortex
Middle frontal gyrus
Superior frontal gyrus
Precuneus
Primary visual cortex
ID микроструктуры
(Allen Human Brain
Atlas)
Микроструктура
(Allen Human Brain Atlas)
Вероятность
наблюдения
суммы величин
экспрессии (p)
4142, 4143
4135, 4136
4149, 4150, 4151
4178
4193, 4194
4158, 4159, 4160
4200, 4201
4244, 4245
4280
4223, 4224, 4230, 4231
4288
4258
4073, 4074
4012, 4013, 4014, 4015
4098, 4099
middle temporal gyrus
superior temporal gyrus
inferior temporal gyrus
planum polare
lingual gyrus
fusiform gyrus
occipito-temporal gyrus
parahippocampal gyrus
Head of Caudate Nucleus
Cingulate gyrus
Putamen
Dentate gyrus
paracentral lobule
precentral gyrus
supraparietal lobule
0.00016
0.00048
0.00074
0.00148
0.00112
0.00154
0.00638
0.0007
0.00082
0.00124
0.00218
0.0027
0.00054
0.00376
0.0006
4087, 4088, 4089, 4090
postcentral gyrus
0.00132
4901
4113, 4114
4030, 4031
4023, 4024
4120, 4121
4186, 4187
inferior rostral gyrus
angular gyrus
middle frontal gyrus
superior frontal gyrus
precuneus
cuneus
0.00194
0.0011
0.00024
0.0006
0.00042
0.00042
Примеры структур человеческого мозга, которые характеризуются
повышенным потенциалом регуляторных взаимодействий с
ненейтрально эволюционировавшими миРНК
1. Wernicke's area - один из двух основных участков коры головного мозга,
связанных с речью ( участвует в понимании письменной и устной речи).
2. Major association cortex играет важную роль в абстрактном мышлении*)
3. Superior frontal gyrus участвует в самосознании и в координации работы
сенсорных органов.
4. Middle frontal gyrus контролирует осознанные движения глаз, участвует в
самосознании личности, обуславливает такие качества как проницательность
и дальновидность.
5. Precuneus участвует в работе временной памяти, обрабатывает визуальнопространственную информацию, участвует в самосознании.
6. Limbic system контролирует питание, воспроизведение, борьбу и бегство,
чувства, и память. Она включает в себя области, энторинальной коры.
7. Orbitofrontal cortex представляет собой основной центр обработки
обонятельной информации.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------*) Ширина этой зоны в мозге Эйнштейна (и ряда других гениев) на 15% (и более)
превышает контрольные величины.
Найден ряд структур мозга, выполняющих важнейшие
перцептивные, когнитивные и интеллектуальные функции,
которые характеризуются достоверно высоким уровнем
регуляторного потенциала, определяемого их взаимодействием
с мРНК-мишенями
миРНК
RISC
Рибосома
Allen Human Brain Atlas: эволюционная ветвь H. neanderthalensis
Структуры мозга, характеризующиеся увеличенным потенциалом регуляторных
взаимодействий миРНК/мРНК, определяемые ненейтрально эволюционировавшими
миРНК неандартальца
орангутан
горилла
шимпанзе
человек
denisovian
neanderthal
НЕ НАЙДЕНЫ!
Филогенетическое дерево шимпанзе, макаки и человека, построенное на
основе последовательностей пре-микроРНК
МАКАКА
Ожидаемая длина
человеческой ветви
Выявлено резкое
увеличение скорости
эволюции миРНК в
человеческой ветви.
Реальная длина этой ветви
в шесть раз больше, чем
можно ожидать из
скоростей эволюции
остальных двух видов
ШИМПАНЗЕ
Реальная длина
человеческой
ветви
[Hu HY et al., MicroRNA
expression and regulation in
human, chimpanzee, and
macaque brains. PLoS Genet.
2011 Oct;7(10):e1002327. 2011
Oct 13]
Скорость фиксации однонуклеотидных замен в генах ненейтрально
эволюционирующих миРНК более чем на порядок превышает
скорость эволюции ортологичных генов миРНК приматов
миРНК
Homo
sapiens
miR-1178
miR-1252
miR-1269a
miR-1321
miR-146a
miR-532
miR-608
miR-609
miR-662
miR-671
miR-943
Предковый
нуклеотид
реконструирован
ный по геномам
гоминид
Hominida: 37G
Hominida:13G
Hominida:79A
Hominida:55G
Hominida:60G
Hominida:79G;
82G
Hominida:37G
72A
Hominida:17G
макака: 33U;
67G
Hominida:87C
Hominida:12G;
17AG; 27G
Усредненная скорость фиксации мутаций в год от точки дивергенции вида
Замены в линиях
Homo sapiens/ Homo
denisova
Пре-миРНК
Homo sapiens
Пре-миРНК Homo
denisova
Пре-миРНК
гориллы
Пре-миРНК
шимпанзе
Пре-миРНК
орангутана
H.s.:37A
H.s.:13A
H.s.:79G
H.d.:55U
H.s.:60C
H.s.:79A; H.s.:82A
H.s.:37C; H.d.:72G
H.d.:17A
H.d.:33A; H.d.:67A
H.d.:87U
H.s.:12A; H.s.:17-;
H.s.:27A
-9 6.8*10-10 1.86*10-9
1.3*10-8
1.19*10
1.9*10-8
30!!
20!!
Местоположение гена, кодирующего миРНК-941
на выравнивании геномов высших приматов.
Эта миРНК возникла из вставки фрагментов ДНК
в геном предка денисовца и современного человека
Вторичная структура премиРНК-941 эволюционно
консервативна у человека и
денисовца.
Возникновение гена пре-миРНК-941 датируется 1-5 млн.л. назад
Hu et al. Evolution of the human-specific microRNA miR-941. Nat Commun. 2012 Oct 23;3:1145
Somel M и сотр. провели экспериментальное и биоинформационное
исследование экспрессии мРНК в мозгах человека и шимпанзе на разных
стадиях пре- и постнатального онтогенеза
(MicroRNA-driven developmental remodeling in the brain distinguishes humans from other primates. PLoS
Biol. 2011 Dec;9(12):e1001214. 2011 Dec 6)
RISC
Ribosome
ЧЕЛОВЕК: экспрессия
мРНК наблюдается в
первые 3 года после
рождения
Они нашли большую группу мРНК,
регулируемых миРНК, экспрессирующихся
в тканях мозга шимпанзе в последний месяц
перед рождением. Экспрессия этих мРНК у
человека длится три года после рождения.
Именно эти три года важны для
формирования человеческого мозга,
обучения речи и овладения социальным
общением. Somel и сотр. делают вывод, что
существуют механизмы, направляющие
реструктурирование мозга в ходе развития
и направляемые микроРНК. Это отличает
человека от других приматов.
ШИМПАНЗЕ:
экспрессия мРНК
наблюдается в последний
месяц беременности
Модель видообразования, основанная на представлениях классической популяционной генетики:
последовательная фиксация адаптивных мутаций, каждая из которых приводит к возникновению
отдельного адаптивного фенотипического признака. В этом случае формирование адаптивного
комплекса фенотипических характеристик, необходимых для адаптации к новой экологической
нише, требует исключительно больших промежутков времени
100
P
Фиксация
адаптивных
мутаций
Последовательная фиксация
адаптивных признаков
T
0
Возникновение
мутаций
Модель видообразования, основанная на фиксации мегамутаций , т.е. мутаций в локусах
кассетных регуляторов молекулярно-генетических систем, приводящих к одновременному
изменению функции больших групп регулируемых генов и, как следствие, возникновению
адаптивных комплексов фенотипических характеристик
100
Фиксация
адаптивных
мегамутаций
0
Возникнове
ние
мутаций
Кассетная фиксация
адаптивных признаков
P
мРНК
КРИЗИС
T
миРНК
Сетевая модель эволюционного возникновения человека современного типа
(Stringer C. Evolution: What makes a modern human. Nature. 2012 485(7396):33-5.)
Гибридизация между Ноmo sapiens и древними представателями рода Ноmo
Неполное замещение аллелей при дивергенции линий древних людей от линии
современного человека
Reich D et al., Denisova admixture and the first modern
human dispersals into Southeast Asia and Oceania. Am J Hum
Genet. 2011 89(4):516-28.
Hammer MF et al., Genetic evidence for archaic admixture in
Africa. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 108(37):15123-8.
Eriksson A, Manica A. Effect of ancient population structure
on the degree of polymorphism shared between modern
human populations and ancient hominins. Proc Natl Acad Sci
U S A. 2012 109(35):13956-60.
Sánchez-Quinto F et al., North African populations carry the
signature of admixture with Neandertals. PLoS One. 2012
7(10):e47765.
Благодарю за внимание!
Выражаем благодарность Российскому фонду фундаментальных исследований
за финансовую поддержку работ.
Предковый
нуклеотид
реконструирован
ный по геномам
гоминид
Замены в линиях
Homo sapiens/
Homo denisova
Известные полиморфизмы Homo
sapiens совпадающие с замененными
нуклеотидами в пре-миРНК, с
указанием частот в популяции
человека согласно данным базы
данных dbSNP.
miR-1178
miR-1252
miR-1269a
miR-146a
miR-532
Hominida: 37G
Hominida:13G
Hominida:79A
Hominida:60G
Hominida:79G;
82G
Hominida:12G;
17AG;
27G
Hominida:37G
72A
Hominida:55G
H.s.:37A
H.s.:13A
H.s.:79G
H.s.:60C
H.s.:79A;
H.s.:82A
H.s.:12A;
H.s.:17-;
H.s.:27A
H.s.:37C;
H.d.:72G
H.d.:55U
37A(96.1)/G(3.8):rs7311975
13A(99.2)/G(0.8):rs115256251
79G(61.7-74.2)/A(25.8-38.3):rs73239138
60C(23.1)/G(76.8):rs2910164
79A/G:rs456615; 82A/G:rs456617
Hominida:17G
макака: 33U;
67G
Hominida:87C
H.d.:17A
H.d.:33A;
H.d.:67A
H.d.:87U
33U(86.5)/A(13.5): rs74656628;
67G(92.6)/A(7.4):rs9745376
-
miR-943
miR-608
miR-1321
miR-609
miR-662
miR-671
человек
миРНК
Homo
sapiens
денисовец
Характеристики нуклеотидных замен, фиксировавшихся в 11 ненейтрально
эволюционирующих миРНК, аннотированных в базе данных starBase 2.1
12A(88.5)/G(11.5): rs1077020;
-/AG:rs3034718
37C(82.0)/G(18.0):rs4919510
-
общий предок
В ЛИНИИ ЧЕЛОВЕКА ИМЕЛО МЕСТО НЕПОЛНОЕ ВЫТЕСНЕНИЕ ПРЕДКОВОГО
АЛЛЕЛЯ
(Сравнение нуклеотидных замен, фиксировавшихся в ненейтрально
эволюционирующих миРНК в линии человека, с полиморфизмами в популяциях
человека, описанными в базе данных dbSNP)
миРНК Homo
sapiens
Предковый
нуклеотид
реконструированн
ый по геномам
гоминид
Замены в линиях
Homo sapiens/ Homo
denisova
Известные полиморфизмы Homo sapiens
совпадающие с замененными нуклеотидами в
пре-миРНК, с указанием частот в популяции
человека согласно данным базы данных
dbSNP.
miR-1178
miR-1252
miR-146a
Hominids: 37G
Hominids:13G
Hominids:60G
H.s.:37A
H.s.:13A
H.s.:60C
37A(96.1)/G(3.8):rs7311975
13A(99.2)/G(0.8):rs115256251
60C(23.1)/G(76.8):rs2910164
miR-1178
miR-1252
человек
денисовец
37A
37G
37G
miR-146a
человек
денисовец
13A
13G
13G
человек
денисовец
60C
60G
60G
общий предок
общий предок
общий предок
В ПОПУЛЯЦИЯХ
ЧЕЛОВЕКА
В ПОПУЛЯЦИЯХ
ЧЕЛОВЕКА
В ПОПУЛЯЦИЯХ
ЧЕЛОВЕКА
37
A(96.1)
G(3.8)
13
A(99.2)
G(0.8)
60
С(23.1)
G(76.8)
В ЛИНИИ ДЕНИСОВЦА ПРОИЗШЛА ФИКСАЦИЯ НОВОГО АЛЛЕЛЬНОГО
ВАРИАНТА.
ПРИ ЭТОМ ПО ДАННЫМ БАЗЫ dbSNP, В СОВРЕМЕННЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ
ЧЕЛОВЕКА «ДЕНИСОВСКИЙ АЛЛЕЛЬ» НЕ НАЙДЕН
миРНК Homo
sapiens
Предковый
нуклеотид
реконструированн
ый по геномам
гоминид
Замены в линиях
Homo sapiens/ Homo
denisova
Известные полиморфизмы Homo sapiens
совпадающие с замененными нуклеотидами в
пре-миРНК, с указанием частот в популяции
человека согласно данным базы данных dbSNP.
miR-1321
miR-609
miR-671
Hominids:55G
Hominids:17G
Hominids:87C
H.d.:55U
H.d.:17A
H.d.:87U
-
miR-1321
miR-609
человек
денисовец
55G
55U
55G
miR-671
человек
денисовец
17G
17A
17G
человек
денисовец
87C
87U
87C
общий предок
общий предок
общий предок
В ПОПУЛЯЦИЯХ
ЧЕЛОВЕКА
В ПОПУЛЯЦИЯХ
ЧЕЛОВЕКА
В ПОПУЛЯЦИЯХ
ЧЕЛОВЕКА
55
U(~0)
G(~100)
17
A(~0)
G(~100)
87
U(~0)
С(~100)
Доказательство гибридизации человека и денисовца на основе сравнения
нуклеотидных замен, фиксировавшихся в близко расположенных позициях миРНК,
с полиморфизмами в популяциях человека
миРНК
Homo sapiens
Предковый
нуклеотид
реконструированн
ый по геномам
гоминид
miR-662
macaque:
33U;
67G
Замены в линиях
Homo sapiens/ Homo
denisova
H.d.:33A;
H.d.:67A
Известные полиморфизмы Homo sapiens
совпадающие с замененными нуклеотидами
в пре-миРНК, с указанием частот в
популяции человека согласно данным базы
данных dbSNP.
33U(86.5)/A(13.5):rs74656628;
67G(92.6)/A(7.4):rs9745376
miR-662
человек
денисовец
33U;67G
33A;67A
33U;67G
общий предок
В ПОПУЛЯЦИЯХ
ЧЕЛОВЕКА
33
A(13.5) 67 A(7.4)
U(86.5)
G(92.6)
Следы гибридизации человека и денисовца в ненейтрально
эволюционирующих миРНК человека
Человек
miR-662
33U
67G
33A
67A
Денисовец
33U
67G
33A
67A
33A
67G
33U
67A
33U
67G
33A
67A
Кроссинговер генов
пре-миРНК-662
В современных популяциях
человека представлены все
четыре варианта продуктов
кроссинговера генов премиРНК-662, что свидетельствует
о гибридизации между
денисовцем и человеком
Доказательство гибридизации человека и денисовца на основе сравнения
нуклеотидных замен, фиксировавшихся в близко расположенных позициях миРНК,
с полиморфизмами в популяциях человека
миРНК
Homo sapiens
Предковый
нуклеотид
реконструированн
ый по геномам
гоминид
miR-608
Hominida:
37G
72A
Замены в линиях
Homo sapiens/ Homo
denisova
Известные полиморфизмы Homo sapiens
совпадающие с замененными нуклеотидами
в пре-миРНК, с указанием частот в
популяции человека согласно данным базы
данных dbSNP.
H.s.:37C;
H.d.:72G
37C(82.0)/G(18.0):rs4919510
miR-608
человек
денисовец
37C;72A
37G;72G
37G;72A
общий предок
В ПОПУЛЯЦИЯХ
ЧЕЛОВЕКА
37
С(~100) 72 G(18.0)
G(~0)
A(82.0)
Следы гибридизации человека и денисовца в ненейтрально
эволюционирующих миРНК человека
Человек
miR-608
37C
72A
37G
72G
Денисовец
37C
72A
37G
72G
37G
72A
37C
72G
37C
72A
37G
72G
Кроссинговер генов
пре-миРНК-608
В современных популяциях
человека представлены два
варианта продуктов кроссинговера
генов пре-миРНК-608 (из четырех),
что свидетельствует о
гибридизации между денисовцем
и человеком с последующей
утратой двух вариантов
Анализ генов пре-миРНК, выявил неполное замещение
аллелей при дивергенции линий древних людей от линии
современного человека, а также гибридизацию между Ноmo
sapiens и древними представителями рода Ноmo. Эти факты
дают обоснование гипотезе о сильно пересекающихся
генофондах современного человека и денисовца (сетевая
эволюция)
11 генов пре-миРНК
общий предок
Случайный выбор мРНК-мишеней: численный эксперимент
Мишени
миРНКk и
их уровни
экспрессии
Ткань i
3
10
1
5
5
Li(real)=31
1
5 Li(rand)=11
5
9
9
2
миРНК
7
2
миРНК
7
7
3
6
Случайные
перестановки
1
3
10
Li(rand)=10
3
10
Случайные
перестановки
7
Среднее
значение
6
Li(rand)=11.66
1
5
5
3
1
3
10
1
5
5
9
Случайные
перестановки
Li(rand)=14
9
2
миРНК
7
2
миРНК
7
7
3
6
1
7
3
6
1
Экспрессия миРНК в тканях мишенях - необходимое условие
реализации их регуляторного потенциала.
Согласно экспериментальным данным, представленным в базе данных miRGator 3.0
(Cho S et. al. Nucleic Acids Res. 2013 41:D252-7) все 11 ненентрально
эволюционирующих миРНК экспрессируются в вывяленных нами тканях-мишенях.
миРНК
miR-1178
miR-1252
miR-1269a
miR-1321
miR-146a
miR-532
miR-608
miR-609
miR-662
miR-671
miR-943
Орган / ткань с высоким уровнем экспрессии миРНК
матка, печень, желудочно-кишечный тракт
центральная нервная система, мозг
обонятельный эпителий, В-клетки крови, эмбриональные стволовые клетки
центральная нервная система, тимус, матка, селезенка, сердце, ооциты
лимфоидная ткань, меланоциты
центральная нервная система, обонятельный эпителий, почка
мозг, селезенка, тимус, матка, молочные железы
центральная нервная система, плацента, молочные железы
матка, легкие
обонятельный эпителий, жировая ткань, лимфоидная ткань, кератиноциты
В-клетки крови, матка, кератиноциты
их регуляторного потенциала.
Согласно экспериментальным данным, представленным в базе данных miRGator 3.0
(Cho S et. al. Nucleic Acids Res. 2013 41:D252-7), в мозге человека экспрессируются 10 из 11
ненентрально эволюционирующих миРНК.
Экспрессия
миРНК
миРНК
Орган / ткань
в мозге
miR-1178
+
матка, печень, желудочно-кишечный тракт
miR-1252
+
центральная нервная система, мозг
miR-1269a
+
обонятельный эпителий, В-клетки крови, эмбриональные стволовые клетки
miR-1321
+
центральная нервная система, тимус, матка, селезенка, сердце, ооциты
miR-146a
+/-
лимфоидная ткань, меланоциты
miR-532
+
центральная нервная система, обонятельный эпителий, почка
miR-608
+
мозг, селезенка, тимус, матка, молочные железы
miR-609
+
центральная нервная система, плацента, молочные железы
miR-662
-
матка, легкие
miR-671
+
обонятельный эпителий, жировая ткань, лимфоидная ткань, кератиноциты
miR-943
+/-
В-клетки крови, матка, кератиноциты
"+" экспрессия пре-миРНК четко отличается от фона,
"+/-" экспрессия пре-миРНК слабо отличается от фона;
"-" экспрессия пре-миРНК не отличается от фона.
Gene Expression Barcode Database: общий пул – сетевая схема эволюции (11
миРНК)
Отобранные ткани-мишени с повышенным регуляторным потенциалом
мРНК/миРНК взаимодействий опосредованных ненейтрально
эволюционирующими миРНК
Ткань/орган (Barcode 2.0)
Вероятность наблюдения
суммы величин экспрессии (p)
dorsal root ganglia
hippocampus
entorhinal cortex
superior frontal gyrus
cerebellum
trigeminal ganglia
postcentral gyrus
cervix
fallopian tube epithelium
myometrium
ovary
vulva
endometrial endothelial cell
breast lobular cells
cecum
head and neck epithelial cells
lung
thyroid
2.00E-05
6.00E-05
8.00E-05
0.00032
0.00054
0.00096
0.00184
4.00E-05
2.00E-05
0.00014
0.00014
0.00044
0.0013
0.0007
6.00E-05
4.00E-05
0.00122
0.0018
В схеме
сетевой
эволюции
было
выявлено
18
тканеймишеней
общий предок
Второй вариант исследования регуляторного потенциала ненейтрально
эволюционирующих миРНК:
раздельное рассмотрение 7 и 5 генов пре-миРНК, фиксировавших
мутации в линиях человека и денисовца, соответственно.
общий предок
Gene Expression Barcode Database: линия H. sapiens (7 миРНК)
Отобранные ткани-мишени с повышенным регуляторным потенциалом
мРНК/миРНК взаимодействий опосредованных ненейтрально
эволюционирующими миРНК
Ткань/орган (Barcode 2.0)
Вероятность наблюдения
суммы величин экспрессии (p)
cerebellum
hippocampus
dorsal_root_ganglia
posterior_cingulate
entorhinal_cortex
superior_frontal_gyrus
primary_visual_cortex
myometrium
ovary
fallopian_tube_epithelium
cervix
breast_lobular_cells
cecum
stomach
neutrophils
head_and_neck_epithelial_cells
4.00E-05
0.00022
0.00038
0.00056
0.00074
0.0008
0.001
8.00E-05
0.00034
0.00046
0.00044
0.00158
0.00136
0.0015
0.00092
0.00014
Gene Expression Barcode Database: линия H. denisova (5 миРНК)
Отобранные ткани-мишени с повышенным регуляторным потенциалом
мРНК/миРНК взаимодействий опосредованных ненейтрально
эволюционирующими миРНК
Ткань/орган (Barcode 2.0)
Вероятность наблюдения суммы
величин экспрессии (p)
entorhinal_cortex
hippocampus
vagina
0.00058
0.0004
6.00E-05
В результате анализа были отобраны ткани-мишени миРНК,
удовлетворяющие одному из двух условий:
(1)Ткани были выявлены при анализе как общего пула пре-миРНК, так и
пула пре-миРНК человека;
(2)Ткани были выявлены при анализе как общего пула пре-миРНК, так и
пула пре-миРНК денисовца;
Такие ткани (структуры)-мишени представляют первостепенный интерес в
связи с их возможной ролью в эволюции рода Homo (H.s и H.d).
общий пул – 18 тканей-мишеней
6
10
денисовец
3 ткани-мишени
1
2
4
человек
16 тканей-мишеней
Всего было отобрано 12 тканей-мишеней, удовлетворявших
приведенным критериям