vavilovВавиловский журнал генетики и селекцииVavilov Journal of Genetics and Breeding2500-3259Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS10.18699/VJ15.016vavilov-355Research ArticleМЕДИЦИНСКАЯ ГЕНЕТИКА, НЕЙРОГЕНЕТИКА, ИММУНОГЕНЕТИКА, БИОМЕДИЦИНАPOPULATION GENETICSНекоторые ограничения использования гена cytb митохондриальной ДНК как молекулярного маркера для филогенетических и популяционно- генетических исследований на примере рода ApodemusSome limitations in the use of the mitochondrial DNA cytb gene as a molecular marker for phylogenetic and population genetic studies by the example of the Apodemus genusЛапинскийА. Г.LapinskiA. G.agl@ibpn.ruПавленкоМ. В.PavlenkoM. V.СоловенчукЛ. Л.SolovenchukL. L.ГорбачевВ. В.GorbachevV. V.Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологических проблем Севера Дальневосточного отделения Российской академии наукРоссияInstitute of the Biological Problems of the North, Far Eastern Branch of the RAS, Magadan, Russia;Russian FederationБиолого-почвенный институт Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, РоссияРоссияInstitute of Biology and Soil Science, Far Eastern Branch of the RAS, Vladivostok, RussiaRussian Federation201503072015191128135Copyright © Лапинский А.Г., Павленко М.В., Соловенчук Л.Л., Горбачев В.В., 20152015Лапинский А.Г., Павленко М.В., Соловенчук Л.Л., Горбачев В.В.Lapinski A.G., Pavlenko M.V., Solovenchuk L.L., Gorbachev V.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/355

Интерпретация сигнала гена cytb мтДНК как молекулярного маркера в филогенетических и популяционно-генетических исследованиях может быть осложнена суммарным влиянием параллельных мутаций (энтропией нуклеотидных последовательностей), которые не позволяют в конечном итоге произвести дифференциацию эффектов гибридизации, естественного полиморфизма и артефактов, вносимых псевдогенами. Мы проанализировали возможные ограничения применения гена cytb мтДНК в качестве молекулярного маркера на примере некоторых представителей рода Apodemus, для чего были рассчитаны значения энтропии нуклеотидных последовательностей и выполнен поиск вероятных трактов генной конверсии для выборок разных видов из изолированного района Тибета, Кореи, юга Приморского края России и Западной Европы. Обнаружено значительное количество гаплотипов, содержащих мотивы, идентифицируемые как тракты генной конверсии. Выявлен высокий уровень изменчивости нуклеотидных последовательностей у видов с Тибетского нагорья, в наибольшей степени – у A. draco. Причинами этого явления могут быть влияние низкой эффективной численности на скорость накопления точечных мутаций, а также роль цитохрома b в процессах адаптации к неблагоприятным условиям среды. Рассмотрены эффекты гипервариабельности нуклеотидной последовательности гена cytb в некоторых выборках, ведущие к росту энтропии информационного сигнала этого молекулярного маркера, что может имитировать явления генной конверсии при сопоставлении с другими выборками представителей данного рода. Также приведены примеры вероятного присутствия в опубликованных нуклеотидных последовательностях продуктов секвенирования соответствующих псевдогенов. Высказано предположение, что стратегия использования гена cytb в популяционно- генетических и филогенетических исследованиях может различаться в зависимости от степени его вариабельности. Отмечена необходимость тщательного контроля за первичными данными на всех этапах работы с ними. 

The interpretation of a signal sent by the mtDNA cytb gene as a molecular marker in phylogenetic and population genetic research can be complicated by cumulative influence of parallel mutations, i.e., the entropy of nucleotide sequences. Such a phenomenon impedes differentiation among the effects of hybridization, natural polymorphisms, and artifacts imposed by pseudogenes. We analyzed possible limitations in the use of the mtDNA cytb gene as a molecular marker by the example of the Apodemus genus. For this purpose, the entropy of nucleotide sequences was calculated, and probable tracts of gene conversion were sought in samples of various Apodemus species from Tibet, Korea, south of Russian Primorye, and Western Europe. Many haplotypes were identified as containing tracts of gene conversion. The high level of nucleotide sequence variability was found in species from Tibet, particularly, in A. draco, presumably due to the influence of low effective sizes of populations on the speed of point mutation accumulation and also cytochrome b role in the adaptation to unfavorable environment. The effects of hypervariability in cytb nucleotide sequences of some samplings resulting in entropy growth imitating gene conversion when compared to other species of the genus were analyzed. Examples of possible pseudogene interference among published cytb sequences are provided. It is suggested that the strategy in the use of the mtDNA cytb gene in population genetics and phylogenetics should be adapted to the degree of the gene variability. Emphasis is placed on the necessity of close control over sequencing data. 

ApodemusмтДНКcytbгенная конверсияэнтропияпсевдогенApodemusmtDNAcytbgene conversionentropypseudogeneReferencesАбрамсон Н.И. Филогения: итоги, проблемы, перспективы. Информационный вестник ВОГиС. 2007;11(2):307-331.Абрамсон Н.И. Филогения: итоги, проблемы, перспективы. Информационный вестник ВОГиС. 2007;11(2):307-331.Гречко В.В. Проблемы молекулярной филогенетики на примере отряда чешуйчатых рептилий (отряд Squamata): митохондриальные ДНК маркеры. Молекуляр. биология. 2013;47(1): 61-82.Гречко В.В. Проблемы молекулярной филогенетики на примере отряда чешуйчатых рептилий (отряд Squamata): митохондриальные ДНК маркеры. Молекуляр. биология. 2013;47(1): 61-82.Докучаев Н.Е., Лапинский А.Г., Соловенчук Л.Л. Генетическая изменчивость полевых мышей (Apodemus agrarius Pallas, 1771) Дальнего Востока России по результатам RAPD-PCR анализа. Изв. РАН. Сер. биол. 2008;4:429-434.Докучаев Н.Е., Лапинский А.Г., Соловенчук Л.Л. Генетическая изменчивость полевых мышей (Apodemus agrarius Pallas, 1771) Дальнего Востока России по результатам RAPD-PCR анализа. Изв. РАН. Сер. биол. 2008;4:429-434.Зыков С.В. Внутривидовая изменчивость и межвидовая дифференциация мышей родов Apodemus, Mus и Sylvaemus Уральского региона по краниальным признакам: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Екатеринбург: УГУ им. А.М. Горького, 2011.Зыков С.В. Внутривидовая изменчивость и межвидовая дифференциация мышей родов Apodemus, Mus и Sylvaemus Уральского региона по краниальным признакам: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Екатеринбург: УГУ им. А.М. Горького, 2011.Картавцева И.В. Кариосистематика лесных и полевых мышей (Rodentia, Muridae). Владивосток: Дальнаука, 2002.Картавцева И.В. Кариосистематика лесных и полевых мышей (Rodentia, Muridae). Владивосток: Дальнаука, 2002.Кимура М. Молекулярная эволюция: теория нейтральности. М.: Мир, 1985.Кимура М. Молекулярная эволюция: теория нейтральности. М.: Мир, 1985.Малярчук Б.А. Генная конверсия митохондриального генома при межвидовой гибридизации у полевок рода Clethrionomys. Биохимия. 2012;77(5):642-648.Малярчук Б.А. Генная конверсия митохондриального генома при межвидовой гибридизации у полевок рода Clethrionomys. Биохимия. 2012;77(5):642-648.Переверзева В.В., Павленко М.В. Разнообразие строения гена цитохрома b митохондриальной ДНК полевой мыши Apodemus agrarius Pallas, 1771 из популяций юга Дальнего Востока России. Изв. РАН. Сер. биол. 2014;1:5-16.Переверзева В.В., Павленко М.В. Разнообразие строения гена цитохрома b митохондриальной ДНК полевой мыши Apodemus agrarius Pallas, 1771 из популяций юга Дальнего Востока России. Изв. РАН. Сер. биол. 2014;1:5-16.Челомина Г.Н., Атопкин Д.М. Молекулярно-генетические свидетельства глубокого филогенетического разрыва между европейской и азиатской расами малой лесной мыши по данным изменчивости гена цитохрома b мтДНК. Молекуляр. биология. 2010;44(5):792-803.Челомина Г.Н., Атопкин Д.М. Молекулярно-генетические свидетельства глубокого филогенетического разрыва между европейской и азиатской расами малой лесной мыши по данным изменчивости гена цитохрома b мтДНК. Молекуляр. биология. 2010;44(5):792-803.Avise J.C. Phylogeography: The History and Formation of Species. N.Y.: Harvard Univ. Press, 2000.Avise J.C. Phylogeography: The History and Formation of Species. N.Y.: Harvard Univ. Press, 2000.Avise J.C., Johns G.C. Proposal for a standardized temporal scheme of biological classification of extant species. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1999;96:7358-7363.Avise J.C., Johns G.C. Proposal for a standardized temporal scheme of biological classification of extant species. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1999;96:7358-7363.Balakirev E.S., Ayala F.J. Pseudogenes: аre they «Junk» or functional DNA. Ann. Rev. Genet. 2003;37:123-151.Balakirev E.S., Ayala F.J. Pseudogenes: аre they «Junk» or functional DNA. Ann. Rev. Genet. 2003;37:123-151.Betrán E., Rozas J., Navarro A., Barbadilla A. The estimation of the number and the length distribution of gene conversion tracts from population DNA sequence data. Genetics. 1997;146(1):89-99.Betrán E., Rozas J., Navarro A., Barbadilla A. The estimation of the number and the length distribution of gene conversion tracts from population DNA sequence data. Genetics. 1997;146(1):89-99.Bosch E., Hurles M.E., Navarro A., Jobling M.A. Dynamics of a human interparalog gene conversion hotspot. Genome Res. 2004;14:835-844.Bosch E., Hurles M.E., Navarro A., Jobling M.A. Dynamics of a human interparalog gene conversion hotspot. Genome Res. 2004;14:835-844.Calvignac S., Konecny L., Malard F., Douady C.J. Preventing the pollution of mitochondrial datasets with nuclear mitochondrial paralogs (numts). Mitochondrion. 2011;11:246-254.Calvignac S., Konecny L., Malard F., Douady C.J. Preventing the pollution of mitochondrial datasets with nuclear mitochondrial paralogs (numts). Mitochondrion. 2011;11:246-254.De Woody J.A., Chesser R.K., Baker R.J. A Translocated mitochondrial cytochrome b pseudogene in voles (Rodentia: Microtus). J. Mol. Evol. 1999;48:380-382.De Woody J.A., Chesser R.K., Baker R.J. A Translocated mitochondrial cytochrome b pseudogene in voles (Rodentia: Microtus). J. Mol. Evol. 1999;48:380-382.Dubey S., Michaux J., Brünner H., Hütterer R., Vogel P. False phylogenies on wood mice due to cryptic cytochrome b pseudogene. Mol. Phylogenet. Evol. 2009;50:633-641.Dubey S., Michaux J., Brünner H., Hütterer R., Vogel P. False phylogenies on wood mice due to cryptic cytochrome b pseudogene. Mol. Phylogenet. Evol. 2009;50:633-641.Esposti D.M., De Vries S., Crimi M., Ghelli A., Patarnello T., Meyer A. Mitochondrial cytochrome b: evolution and structure of the protein. Biochim. Biophys. Acta. 1993;1143:243-271.Esposti D.M., De Vries S., Crimi M., Ghelli A., Patarnello T., Meyer A. Mitochondrial cytochrome b: evolution and structure of the protein. Biochim. Biophys. Acta. 1993;1143:243-271.Fan Z., Liu S., Liu Y., Zhang X, Yue B. How Quaternary geologic and climatic events in the southeastern margin of the Tibetan Plateau influence the genetic structure of small mammals: inferences from phylogeography of two rodents, Neodon irene and A. latronum. Genetica. 2011;139(3):339-351.Fan Z., Liu S., Liu Y., Zhang X, Yue B. How Quaternary geologic and climatic events in the southeastern margin of the Tibetan Plateau influence the genetic structure of small mammals: inferences from phylogeography of two rodents, Neodon irene and A. latronum. Genetica. 2011;139(3):339-351.Fan Z., Liu S., Liu Y., Lihuan L., Xiuyue Z., Bisong Y. Phylogeography of the South China field mouse (Apodemus draco) on the Southeastern Tibetan plateau reveals high genetic diversity and glacial refugia. PLoS ONE. 2012;7(5):e38184. DOI:10.1371/journal.pone.0038184Fan Z., Liu S., Liu Y., Lihuan L., Xiuyue Z., Bisong Y. Phylogeography of the South China field mouse (Apodemus draco) on the Southeastern Tibetan plateau reveals high genetic diversity and glacial refugia. PLoS ONE. 2012;7(5):e38184. DOI:10.1371/journal.pone.0038184Fietz K., Graves J.A., Olsen M.T. Control: a reassessment and comparison of GenBank and сhromatogram mtDNA sequence variation in baltic grey seals (Halichoerus grypus). PLoS ONE. 2013;8(8):e72853. DOI: 10.1371/journal.pone.0072853Fietz K., Graves J.A., Olsen M.T. Control: a reassessment and comparison of GenBank and сhromatogram mtDNA sequence variation in baltic grey seals (Halichoerus grypus). PLoS ONE. 2013;8(8):e72853. DOI: 10.1371/journal.pone.0072853Filippucci M.G., Macholán M., Michaux J.R. Genetic variation and evolution in the genus Apodemus (Muridae: Rodentia). Biol. J. Linnean Soc. 2002;75(3):395-419.Filippucci M.G., Macholán M., Michaux J.R. Genetic variation and evolution in the genus Apodemus (Muridae: Rodentia). Biol. J. Linnean Soc. 2002;75(3):395-419.Hall T.A. BioEdit: a user friendly biological sequence alignment editor and analysis program for Windows 95/98/NT. Nucl. Acids. Symp. Ser. 1999;41:95-98.Hall T.A. BioEdit: a user friendly biological sequence alignment editor and analysis program for Windows 95/98/NT. Nucl. Acids. Symp. Ser. 1999;41:95-98.Irwin D.M., Kocher T.D., Wilson A.C. Evolution of the cytochrome b gene of mammals. J. Mol. Evol. 1991;32:128-144.Irwin D.M., Kocher T.D., Wilson A.C. Evolution of the cytochrome b gene of mammals. J. Mol. Evol. 1991;32:128-144.Ishii K., Charlesworth B. Associations between allozyme loci and gene arrangements due to hitch-hiking effects of new inversions. Genet. Res. 1977;30:93-106.Ishii K., Charlesworth B. Associations between allozyme loci and gene arrangements due to hitch-hiking effects of new inversions. Genet. Res. 1977;30:93-106.Johns G.C., Avise J.C. A comparative summary of genetic distances in the vertebrates from the mitochondrial cytochrome b. Mol. Biol. Evol. 1998;15:1481-1490.Johns G.C., Avise J.C. A comparative summary of genetic distances in the vertebrates from the mitochondrial cytochrome b. Mol. Biol. Evol. 1998;15:1481-1490.Kaneda H., Hayashi J.-I., Takahama S., Taya C., Lindahl K.F., Yonekawa H. Elimination of paternal mitochondrial DNA in intraspecific crosses during early mouse embryogenesis. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1995;92:4542-4546.Kaneda H., Hayashi J.-I., Takahama S., Taya C., Lindahl K.F., Yonekawa H. Elimination of paternal mitochondrial DNA in intraspecific crosses during early mouse embryogenesis. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1995;92:4542-4546.Leslie J.F., Watt W.B. Some evolutionary consequences of the molecular recombination process. Trends Genet. 1986;2:288-291. Librado P., Rozas J. DnaSP v5: A software for comprehensive analysis of DNA polymorphism data. Bioinformatics. 2009;25: 1451-1452.Leslie J.F., Watt W.B. Some evolutionary consequences of the molecular recombination process. Trends Genet. 1986;2:288-291. Librado P., Rozas J. DnaSP v5: A software for comprehensive analysis of DNA polymorphism data. Bioinformatics. 2009;25: 1451-1452.Liu Q., Chen P., He K., Kilpatrick C.W., Liu S.Y., Yu F.H., Jiang X.L. Phylogeographic Study of Apodemus ilex (Rodentia: Muridae) in Southwest China. PLoS ONE. 2012;7(2):e31453.Liu Q., Chen P., He K., Kilpatrick C.W., Liu S.Y., Yu F.H., Jiang X.L. Phylogeographic Study of Apodemus ilex (Rodentia: Muridae) in Southwest China. PLoS ONE. 2012;7(2):e31453.Meyer A. Shortcomings of the cytochrome b gene as a molecular marker. Trends Ecol. Evol. 1994;9:278-280.Meyer A. Shortcomings of the cytochrome b gene as a molecular marker. Trends Ecol. Evol. 1994;9:278-280.Michaux J.R., Chevret P., Filippucci M.G., Macholán M. Phylogeny of the genus Apodemus with a special emphasis to the subgenus Sylvaemus using the nuclear IRBP gene and two mitochondrial markers: cytochrome b and 12S rRNA. Mol. Phylogenet. Evol. 2002;23:123-136.Michaux J.R., Chevret P., Filippucci M.G., Macholán M. Phylogeny of the genus Apodemus with a special emphasis to the subgenus Sylvaemus using the nuclear IRBP gene and two mitochondrial markers: cytochrome b and 12S rRNA. Mol. Phylogenet. Evol. 2002;23:123-136.Michaux J.R., Libois R., Filippucci M.-G. So close and so different: comparative phylogeography of two small mammal species, the yellow-necked fieldmouse (Apodemus flavicollis) and the woodmouse (Apodemus sylvaticus) in the western Palearctic region. Heredity. 2005;94:52-63.Michaux J.R., Libois R., Filippucci M.-G. So close and so different: comparative phylogeography of two small mammal species, the yellow-necked fieldmouse (Apodemus flavicollis) and the woodmouse (Apodemus sylvaticus) in the western Palearctic region. Heredity. 2005;94:52-63.Oh D.J., Kim T.W., Chang M.H., Han S.H., Oh H.S., Kim S.J. Migration route estimation of the Jeju striped field mouse Apodemus agrarius chejuensis (Rodentia, Muridae). Mitochondrial DNA. 2013;24:137-144.Oh D.J., Kim T.W., Chang M.H., Han S.H., Oh H.S., Kim S.J. Migration route estimation of the Jeju striped field mouse Apodemus agrarius chejuensis (Rodentia, Muridae). Mitochondrial DNA. 2013;24:137-144.Rocha-Olivares A., Rosenblatt R.H., Vetter R.D. Molecular evolution, systematics, and zoogeography of the rockfish subgenus Sebastomus (Sebastes, Scorpaenidae) based on mitochondrial cytochrome b and control region sequences. Mol. Phyl. Evol. 1999;11(3):441-458.Rocha-Olivares A., Rosenblatt R.H., Vetter R.D. Molecular evolution, systematics, and zoogeography of the rockfish subgenus Sebastomus (Sebastes, Scorpaenidae) based on mitochondrial cytochrome b and control region sequences. Mol. Phyl. Evol. 1999;11(3):441-458.Sakka H., Quéré J.-P., Kartavtseva I., Pavlenko M., Chelomina G., Atopkin D., Bogdanov A., Michaux J. Comparative phylogeography of four Apodemus species (Mammalia: Rodentia) in the Asian Far East: evidence of Quaternary climatic changes in their genetic structure. Biol. J. Linn. Soc. 2010;100(4):797-821.Sakka H., Quéré J.-P., Kartavtseva I., Pavlenko M., Chelomina G., Atopkin D., Bogdanov A., Michaux J. Comparative phylogeography of four Apodemus species (Mammalia: Rodentia) in the Asian Far East: evidence of Quaternary climatic changes in their genetic structure. Biol. J. Linn. Soc. 2010;100(4):797-821.Sanford J.C. Genetic Entropy and the Mystery of the Genome. N.Y.: Elim, Elim Publ., 2006.Sanford J.C. Genetic Entropy and the Mystery of the Genome. N.Y.: Elim, Elim Publ., 2006.Schneider T.D., Stephens R.M. Sequence logos: a new way to display consensus sequences. Nucl. Acids Res. 1990;18:6097-6100.Schneider T.D., Stephens R.M. Sequence logos: a new way to display consensus sequences. Nucl. Acids Res. 1990;18:6097-6100.Shannon C.E. A mathematical theory of communication. Bell Syst. Tech. J. 1948;27:379-423.Shannon C.E. A mathematical theory of communication. Bell Syst. Tech. J. 1948;27:379-423.Shitara H., Hayashi J.I., Takahama S., Kaneda H., Yonekawa H. Maternal inheritance of mouse mtDNA in interspecific hybrids: segregation of the leaked paternal mtDNA followed by the prevention of subsequent paternal leakage. Genetics. 1998;148(2):851-857.Shitara H., Hayashi J.I., Takahama S., Kaneda H., Yonekawa H. Maternal inheritance of mouse mtDNA in interspecific hybrids: segregation of the leaked paternal mtDNA followed by the prevention of subsequent paternal leakage. Genetics. 1998;148(2):851-857.Smith M.F., Thomas W.K., Patton J.L. Mitochondrial DNA-like sequence in the nuclear genome of an akodontine rodent. Mol. Biol. Evol. 1992;9(2):204-215.Smith M.F., Thomas W.K., Patton J.L. Mitochondrial DNA-like sequence in the nuclear genome of an akodontine rodent. Mol. Biol. Evol. 1992;9(2):204-215.Suzuki H., Filippucci M.G., Chelomina G.N., Sato J.J., Serizawa K., Nevo E. Biogeographic view of Apodemus in Asia and Europe inferred from nuclear and mitochondrial gene sequences. Biochem. Genet. 2008;46:329-346.Suzuki H., Filippucci M.G., Chelomina G.N., Sato J.J., Serizawa K., Nevo E. Biogeographic view of Apodemus in Asia and Europe inferred from nuclear and mitochondrial gene sequences. Biochem. Genet. 2008;46:329-346.Tamura K., Peterson D., Peterson N., Stecher G., Nei M., Kumar S. MEGA5: molecular evolutionary genetics analysis using maximum likelihood, evolutionary distance, and maximum parsimony methods. Mol. Biol. Evol. 2011;28:2731-2739.Tamura K., Peterson D., Peterson N., Stecher G., Nei M., Kumar S. MEGA5: molecular evolutionary genetics analysis using maximum likelihood, evolutionary distance, and maximum parsimony methods. Mol. Biol. Evol. 2011;28:2731-2739.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.