ДНК штрих-код

Конспект Тарасовой 10/2/10, ред. ПИ 23/4/11

ДНК-штрихкодирование в энтомологии (и для растений были статьи!)

И.А. Захаров, Е.В. Шайкевич, Н.В. Ившин. ДНК-штрихкодирование в энтомологии // Природа. - 2007, N 9. - С.3-9. Статья в приложении Zakharov2007.pdf

И.А. Захаров, Е. В. Шайкевич, Н. В. Ившин. ДНК-штрихкод и определение видов бабочек // 2007 - rfbr.ru = РФФИ И эта статья в приложении Zakharov2007rfbr.pdf

И.А. Захаров, Е.В. Шайкевич, Н.В. Ившин

Илья Артемьевич Захаров, член-корр. РАН, гл. научн. сотр. Ин-та общей генетики РАН им.Н.И.Вавилова

Елена Владимировна Шайкевич, канд.биол. наук, ст. научн. сотр. того же института.

Николай Викторович Ившин, канд. биол. наук.

В 2003 г. канадский ученый П.Хеберт предложил использовать ДНК-штрихкодирование для видовой идентификации особей, включая трудно определяемых, поврежденных и находящихся на личиночной стадии развития, с помощью короткой стандартной последовательности цепи ДНК [1, 2]. Эта идея сразу привлекла внимание многих систематиков, генетиков и эволюционных биологов. В 2003 г. прошли первые лабораторные тренинги “ДНК и таксономия” и “Таксономия, ДНК и штрихкод жизни”, спонсированные фондом “Alfred P.Sloan Foundation”. Они показали, что предложенная технология недорога, удобна и позволяет даже неспециалистам проводить точную идентификацию организмов, что усиливает значимость таксономических исследований за пределами академических учреждений, например в агрономии, в здравоохранении, в образовании и во многих других сферах общества. В качестве маркера, выполняющего роль штрихкода, выбрали последовательность ДНК, кодирующую первую субъединицу митохондриальной цитохром-оксидазы (ген этого дыхательного фермента находится в митохондриальной ДНК).

Подобная эффективность, достигнутая менее чем за четыре года исследований, вероятно, объясняется еще и тем, что молекулярная систематика переживает революцию, которая скорее всего в недалеком будущем приведет (а где-то уже привела) к глобальному пересмотру филогении для многих крупных таксонов. Благодаря молекулярной генетике обнаружены новые таксоны и даже формы жизни, как, например, археи. Результаты сравнения ДНК крупных таксонов указали на родство между круглыми червями и насекомыми. Как выяснилось, это не единственное свидетельство: имеется сходство в механизмах линьки, а также в устройстве нервной системы, чему ранее не придавали большого значения. Новые палеонтологические данные показали, что в процессе эволюции сегментация тела у беспозвоночных возникала неоднократно и потому не может лежать в основе установления эволюционного родства между таксонами высокого ранга. Таким образом, происхождение насекомых от полихет поставлено под сомнение.

Известно, что некоторые консервативные области генома схожи у большинства видов. Благодаря этому удается сравнивать морфологически несопоставимые организмы, а по степени накопления мутаций в таких областях характеризовать величину различий как между видами, так и между таксонами более высокого ранга, проводить реконструкцию эволюционного процесса.

Признание исторического подхода в молекулярной биологии привело и к смене философской основы эволюционных построений: наметился переход от позитивизма к неопозитивизму. Явное обращение к философским корням прослеживается во многих современных работах по молекулярной систематике, где, например, часто говорят не о филогенетическом дереве, а о дереве парсимонии (parsimony tree), т.е. о дереве сходства, а не родства. Для того чтобы оно стало истинным филогенетическим деревом, необходимо в нем выделить узел, соответствующий прародительской форме, т.е. “укоренить” дерево. Кроме того, возможен второй подход, также известный из классического филогенетического анализа, где выделяют древние (плезиоморфные) и современные (апоморфные) признаки и учитывают эту информацию при поиске корневого узла дерева. На молекулярных данных реализация второго пути, характерного для классической филогении, основанной преимущественно на морфологических данных, вряд ли возможна.

ДНК-штрихкодирование - это вполне закономерный подход, вытекающий из современных методологических и философских представлений в биологии. Он не претендует на знание того, каким путем шла эволюция, но позволяет точно различать виды и устойчивые субвидовые группировки.

Используя стандартную методику, предложенную в рамках программы “Штрихкод жизни”, мы установили последовательности ДНК для выбранных четырех экземпляров. Методологическая структура подобных проектов включает следующие этапы:

1. Подбор экземпляров: музейные коллекции, гербарии, зоопарки, аквариумы, коллекции замороженных тканей, банки семян, коллекции типовых культур и другие источники идентифицированных организмов.

2. Лабораторный анализ проводится согласно стандартной методике (пропись можно посмотреть в Интернете *. Сюда входит выделение, амплификация и секвенирование последовательностей ДНК. Установленная последовательность сохраняется в базе данных.

* http://barcoding.si.edu/PDF/Protocols_for_High_Volume_DNA_Barcode_Analysis.pdf

3. База данных играет ключевую роль, так как служит доступным справочником идентифицированных организмов. Сегодня роль таких баз данных играют “Nucleotide Sequence Database of the European Molecular Biology Lab” в Германии и “DNA Data Bank of Japan” в Японии. Они соответствуют стандартам “Штрихкод Жизни”, опубликованным в Интернете *.

* http://barcoding.si.edu/PDF/DWG_data_standards-Final.pdf

4. Анализ результатов заключается в поиске образца ДНК в базе данных, наиболее схожего с ДНК идентифицируемого организма. На основании обнаруженных различий при помощи различных математических алгоритмов строятся деревья сходства, которые далее используются в филогенетическом анализе. Специальная рабочая группа занимается поиском лучших путей анализа результатов ДНК-штрихкодирования, а также их представления и дальнейшего использования.

Литература

1. Hebert P.D.N., Cywinska A., Ball S.L., Dewaard J.R. // Proc. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 2003. V.270. P.313-321.

2. Hebert P.D.N., Ratsingham S., Dewaard J.R. // Proc. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 2003. V.270. P.596-599.

3. Danner F., Eitschberger U., Surholt B. // Die Schwarmer der westlichen Palaearktis. Herbipoliana. Buchreihe zur Lepidopterologie. Band 4/1. Marktleuthen, 1998.