Гологеномика

Хологеномика — это омическое исследование хологеномов . Хологеном — это весь набор геномов холобионта , организма вместе со всеми совместно обитающими микробами , другими формами жизни и вирусами . ^[1] Хотя термин хологеном произошел от теории эволюции хологенома , которая постулирует , что естественный отбор происходит на уровне холобионта, ^[2] хологеномика использует интегративную структуру для исследования взаимодействий между хозяином и связанными с ним видами . Примерами служат геномы кишечных микробов ^[3] или вирусов ^[4], связанные с геномами человека или животных для исследования взаимодействия хозяина и микроба. ^[5] Подходы хологеномики также использовались для объяснения генетического разнообразия в микробных сообществах морских губок . ^[6]

История

Истоки гологеномики вращаются вокруг теории эволюции гологенома, которая описывает отдельные многоклеточные организмы , микробы и вирусы, устанавливающие симбиотические отношения и претерпевающие совместную коэволюцию . ^{[2] [7]} Ричард Джефферсон ввел термин «хологеном» для описания генома хозяина-симбионта как эволюционной единицы. ^[8] До этого Линн Маргулис использовала термин «холобионт» для описания хозяев и связанных с ними видов как экологической единицы. ^[9]

Коэволюция эукариот и прокариот

Различные микробные сообщества в губках сходятся воедино, имея общую функциональность, несмотря на сохранение филогенетических различий. ^[10]

Самые ранние свидетельства многоклеточно-одноклеточных взаимодействий наблюдаются у губок, которые являются хорошо изученной гологеномной системой. Porifera часто описываются как холобионты, поскольку они являются средой обитания широкого спектра бактерий , архей и водорослей . Присутствующие микробные сообщества были обнаружены в содействии метаболическим функциям и иммунным реакциям. ^[10] Потомство наследует эти микробные колонии посредством вертикальной и/или горизонтальной передачи . ^[10] Симбионтные колонии передаются через родительские гаметы при вертикальной передаче, тогда как потомство приобретает те же колонии из своей среды при горизонтальной передаче. Вертикальная передача также наблюдается у наземных организмов, таких как C. ocellatus , где гаммапротеобактерии в родительском кишечнике вертикально переносятся через загрязнение яйцами. ^[11]

Критика

Эволюция теории хологенома не полностью принята, и исследования в области филогенетики микробов-хозяев продолжаются. Вместо отбора кораллов с определенными симбиотическими микробными сообществами обесцвечивание кораллов может быть просто результатом экологических стрессоров , а присутствие бактерий в обесцвеченных кораллах может быть объяснено просто как оппортунистическая колонизация . ^[12] Тестирование на повсеместность также выявило множество различных бактериальных и водорослевых симбионтов, которые не связаны с одним видом кораллов, ^[13] предполагая, что хологеномика просто идентифицирует и подтверждает механистические взаимодействия между патогенами , микробами и их хозяевами. ^[14]

Примеры открытий с использованием гологеномных подходов

• Секвенирование нанопор - Профилирование геномов органелл в холобионте C. ashmeadii показало, что Rhodospirillaceae доминирует среди шести предполагаемых эндосимбионтов . ^[15]
• Секвенирование 16S рРНК . Микробные сообщества, специфичные для губок, были профилированы с помощью секвенирования рРНК и генов рРНК, что дало представление о бактериальном разнообразии и активности этих сообществ. ^[16]
• Метагеномная ДНК - Генные профили микробиомов губок сравнивались с окружающими планктонными сообществами. ^[17] Основные функциональные гены микробных симбионтов выражали последовательные модели филогении и функции, которые отличаются от образцов планктона, демонстрируя коэволюцию хозяина и симбионта. ^[17]

Приложения

Лекарство

Предполагается, что продолжающаяся заболеваемость неинфекционными заболеваниями является результатом модернизации, сокращающей разнообразие симбиотических микробов. ^[14] Микробиом человека также коррелирует с многочисленными этиологиями неинфекционных заболеваний , таких как расстройства головного мозга, ^[18] рак, ^{[19] [20]} и болезни сердца. ^[21] Взаимодействия между микробиомом человека и здоровьем человека сложны и предполагают хологеномный подход.

Биомаркеры заболеваний можно обнаружить, исследуя образ жизни, геномные различия и профили мРНК / белков / метаболитов пациента и его микробиоты. ^[14] Для исследования микробиомов и, в частности, субсообществ микробиоты, которые могут способствовать фенотипу заболевания , рекомендуются продольные исследования , поскольку у каждого человека есть индивидуальный микробиом с небольшими различиями в филотипах микробиома . ^[14] Затем можно разработать индивидуальный план управления микробиомом человека, при этом пребиотики будут питать полезные эндогенные микробы, а пробиотики будут манипулировать хологеномом человека. ^[22]

Иммунология

Условный мутуализм , при котором паразиты оказывают мутуалистические эффекты при определенных экологических условиях, был обнаружен при взаимодействии холобионтов с холобионтами. ^[23] Известно, что созревание иммунной системы млекопитающих-хозяев связано с желудочно-кишечной флорой . ^[24] Понимание распознавания микроорганизмами чужеродного патогенного вторжения и того, как иммунитет хозяина благоприятствует наиболее идеальному симбионту, может помочь в открытии новых терапевтических методов лечения для борьбы с развивающимися заболеваниями.

Смотрите также

• Пангеном
• Суперорганизм

Ссылки

1. Розенберг, Юджин; Зильбер-Розенберг, Илана (2018-04-25). «Концепция хологенома эволюции спустя 10 лет». Микробиом . 6 (1): 78. doi : 10.1186/s40168-018-0457-9 . ISSN  2049-2618. PMC 5922317.  PMID 29695294  .
2. Номер 6 в серии из 7 записей VHS, Десятилетие ПЦР: празднование 10 лет амплификации , Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1994. ISBN 0-87969-473-4 . 
3. Денман, Стюарт Э.; МакСуини, Кристофер С. (16.02.2015). «Раннее влияние геномики и метагеномики на микробиологию рубца». Annual Review of Animal Biosciences . 3 (1): 447–465. doi : 10.1146/annurev-animal-022114-110705 . ISSN  2165-8102. PMID  25387109.
4. Патовари, Ашок; Чаухан, Раджендра Кумар; Сингх, Мегна; КВ, Шамсудин; Перивал, Винита; КП, Кушваха; Сапкал, Гаджанан Н.; Бондре, Виджай П.; Гор, Милинд М. (1 января 2012 г.). «Идентификация вирусных патогенов de novo из гологеномов клеточных культур». Исследовательские заметки BMC . 5:11 . дои : 10.1186/1756-0500-5-11 . ISSN  1756-0500. ПМЦ 3284880 . ПМИД  22226071. 
5. Миллер, Уильям Б. младший (2013). Микрокосм внутри: эволюция и вымирание в хологеноме. Universal-Publishers. ISBN 978-1612332772.
6. Вебстер, Николь С.; Томас, Торстен (2016-05-04). «Губка Хологеном». mBio . 7 (2): e00135–16. doi :10.1128/mBio.00135-16. ISSN  2150-7511. PMC 4850255 . PMID  27103626. 
7. Розенберг, Юджин; Зильбер-Розенберг, Илана (2018-04-25). «Концепция хологеномной эволюции спустя 10 лет». Микробиом . 6 (1): 78. doi : 10.1186/s40168-018-0457-9 . ISSN  2049-2618. PMC 5922317. PMID 29695294  . 
8. Номер 6 в серии из 7 записей VHS, Десятилетие ПЦР: празднование 10 лет амплификации , Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1994. ISBN 0-87969-473-4 . 
9. Маргулис, Массачусетский университет Амхерст Массачусетс Линн; Маргулис, Линн; Фестер, Рене (1991). Симбиоз как источник эволюционных инноваций: видообразование и морфогенез. MIT Press. ISBN 978-0-262-13269-5.
10. Вебстер, Николь С.; Томас, Торстен (2016-05-04). "Губка Хологеном". mBio . 7 (2): e00135-16. doi : 10.1128/mBio.00135-16 . ISSN  2150-7511. PMC 4850255. PMID 27103626  . 
11. Кайва, Нахоми; Хосокава, Такахиро; Кикучи, Ёшитомо; Нико, Наруо; Мэн, Сянь Ин; Кимура, Нобутада; Ито, Мотоми; Фукацу, Такема (01.06.2010). «Первичный кишечный симбионт и вторичный симбионт, родственный содалису, Scutellerid Stinkbug Cantao ocellatus». Прикладная и экологическая микробиология . 76 (11): 3486–3494. Бибкод : 2010ApEnM..76.3486K. дои : 10.1128/AEM.00421-10. ISSN  0099-2240. ПМК 2876435 . ПМИД  20400564. 
12. Эйнсворт, ТД ; Файн, М.; Рофф, Г.; Хоег-Гулдберг, О. (2008). «Бактерии не являются основной причиной обесцвечивания средиземноморского коралла Oculina patagonica». Журнал ISME . 2 (1): 67–73. doi : 10.1038/ismej.2007.88 . ISSN  1751-7362. PMID  18059488. S2CID  1032896.
13. Хестер, Эрик Р.; Баротт, Кэти Л.; Налтон, Джим; Вермей, Марк JA; Ровер, Форест Л. (май 2016 г.). «Стабильные и спорадические симбиотические сообщества коралловых и водорослевых холобионтов». Журнал ISME . 10 (5): 1157–1169. doi :10.1038/ismej.2015.190. ISSN  1751-7370. PMC 5029208. PMID 26555246  . 
14. Тайс, Кевин Р. (2018-04-10). "Хологеномика: системно-уровневая биология хозяина". mSystems . 3 (2). doi :10.1128/mSystems.00164-17. ISSN  2379-5077. PMC 5895875 . PMID  29657963. 
15. Sauvage, Thomas; Schmidt, William E.; Yoon, Hwan Su; Paul, Valerie J.; Fredericq, Suzanne (2019-11-13). «Многообещающие перспективы нанопорового секвенирования для гологеномики водорослей и обнаружения структурных вариаций». BMC Genomics . 20 (1): 850. doi : 10.1186/s12864-019-6248-2 . ISSN  1471-2164. PMC 6854639 . PMID  31722669. 
16. Камке, Джанин; Тейлор, Майкл В.; Шмитт, Сюзанна (2017-01-07). «Профили активности бактерий, ассоциированных с морскими губками, полученные путем сравнения генов 16S рРНК и 16S рРНК». Журнал ISME . 4 (4): 498–508. doi : 10.1038/ismej.2009.143 . ISSN  1751-7370. PMID  20054355.
17. Fan, Lu; Reynolds, David; Liu, Michael; Stark, Manuel; Kjelleberg, Staffan; Webster, Nicole S.; Thomas, Torsten (2012-07-03). «Функциональная эквивалентность и эволюционная конвергенция в сложных сообществах симбионтов микробных губок». Труды Национальной академии наук . 109 (27): E1878–E1887. doi : 10.1073/pnas.1203287109 . ISSN  0027-8424. PMC 3390844. PMID 22699508  . 
18. Чжу, Сибо; Цзян, Яньфэн; Сюй, Келин; Цуй, Мэй; Йе, Вэйминь; Чжао, Генмин; Джин, Ли; Чен, Синдун (17 января 2020 г.). «Прогресс исследований кишечного микробиома, связанного с заболеваниями головного мозга». Журнал нейровоспаления . 17 (1): 25. дои : 10.1186/s12974-020-1705-z . ISSN  1742-2094. ПМК 6969442 . ПМИД  31952509. 
19. Xavier, Joao B.; Young, Vincent B.; Skufca, Joseph; Ginty, Fiona; Testerman, Traci; Pearson, Alexander T.; Macklin, Paul; Mitchell, Amir; Shmulevich, Ilya; Xie, Lei; Caporaso, J. Gregory (01.03.2020). «Микробиом рака: различение прямых и косвенных эффектов требует системного взгляда». Trends in Cancer . 6 (3): 192–204. doi :10.1016/j.trecan.2020.01.004. ISSN  2405-8033. PMC 7098063. PMID 32101723  . 
20. Хелминк, Бет А.; Хан, М. А. Вадуд; Германн, Аманда; Гопалакришнан, Ванчесваран; Варго, Дженнифер А. (06 марта 2019 г.). «Микробиом, рак и терапия рака». Природная медицина . 25 (3): 377–388. дои : 10.1038/s41591-019-0377-7. ISSN  1546-170Х. PMID  30842679. S2CID  71145949.
21. Трёсейд, Мариус; Андерсен, Гейр Эйстейн; Брох, Каспар; Хов, Йоханнес Роксунд (2020-02-01). «Микробиом кишечника при ишемической болезни сердца и сердечной недостаточности: текущие знания и будущие направления». eBioMedicine . 52 : 102649. doi :10.1016/j.ebiom.2020.102649. ISSN  2352-3964. PMC 7016372 . PMID  32062353. 
22. Янг, Винсент Б. (15.03.2017). «Роль микробиома в здоровье и болезнях человека: введение для врачей». BMJ . 356 : j831. doi :10.1136/bmj.j831. ISSN  0959-8138. PMID  28298355. S2CID  2443057.
23. Дейли, Нолвенн Мари (2014-07-03). «Взаимодействия холобионта–холобионта: переосмысление взаимодействий хозяина и паразита». PLOS Pathogens . 10 (7): e1004093. doi : 10.1371/journal.ppat.1004093 . ISSN  1553-7374. PMC 4081813. PMID 24992663  . 
24. Белкайд, Ясмин; Хэнд, Тимоти В. (2014-03-27). «Роль микробиоты в иммунитете и воспалении». Cell . 157 (1): 121–141. doi :10.1016/j.cell.2014.03.011. ISSN  0092-8674. PMC 4056765 . PMID  24679531.