stringtranslate.com

Микробная филогенетика

Микробная филогенетика – это изучение того, каким образом различные группы микроорганизмов генетически связаны. Это помогает проследить их эволюцию . [1] [2] Для изучения этих взаимосвязей биологи полагаются на сравнительную геномику , поскольку физиология и сравнительная анатомия не являются возможными методами. [3]

История

1960–1970-е годы

Микробная филогенетика возникла как область исследований в 1960-х годах, ученые начали создавать генеалогические деревья , основанные на различиях в порядке аминокислот белков и нуклеотидов генов вместо использования сравнительной анатомии и физиологии. [4] [5]

Одной из наиболее важных фигур на раннем этапе этой области является Карл Везе , который в своих исследованиях сосредоточил внимание на бактериях , рассматривая РНК , а не белки. Точнее, он решил сравнить олигонуклеотиды малых субъединиц рибосомальной РНК (16рРНК). Совпадающие олигонуклеотиды в разных бактериях можно было сравнить друг с другом, чтобы определить, насколько тесно связаны организмы. В 1977 году, собрав и сравнив фрагменты 16s рРНК почти 200 видов бактерий, Вёзе и его команда в 1977 году пришли к выводу, что архебактерии не являются частью бактерий, а являются совершенно независимыми организмами. [3] [6]

1980–1990-е годы

В 1980-е годы микробная филогенетика вступила в свой золотой век, поскольку методы секвенирования РНК и ДНК значительно улучшились. [7] [8] Например, сравнение нуклеотидных последовательностей целых генов стало возможным благодаря разработке средств клонирования ДНК, позволяющих создавать множество копий последовательностей из мельчайших образцов. Невероятное влияние на микробную филогенетику оказало изобретение полимеразной цепной реакции (ПЦР). [9] [10] Все эти новые методы привели к официальному предложению трех областей жизни: бактерий , архей (сам Везе предложил это название вместо старого названия архебактерий) и эукарий, что, возможно, является одним из ключевых отрывков в история таксономии. [11]

Одной из существенных проблем изучения микробных организмов была зависимость исследований от чистой культуры в лаборатории. Биологи попытались преодолеть это ограничение, секвенируя гены рРНК , полученные из ДНК, выделенной непосредственно из окружающей среды. [12] [13] Этот метод позволил в полной мере оценить, что бактерии не только обладают наибольшим разнообразием, но и составляют наибольшую биомассу на Земле. [14]

В конце 1990-х годов началось секвенирование геномов различных микробных организмов, и к 2005 году было секвенировано 260 полных геномов, в результате чего были классифицированы 33 эукариотов, 206 эубактерий и 21 археон. [15]

2000-е

В начале 2000-х годов ученые начали создавать филогенетические деревья на основе не рРНК , а других генов с другой функцией (например, гена фермента РНК-полимеразы [16] ). Полученные генеалогии сильно отличались от генеалогий, основанных на рРНК. Истории этих генов у них настолько различались, что единственной гипотезой, которая могла объяснить эти расхождения, было большое влияние горизонтального переноса генов (HGT), механизма, который позволяет бактерии приобретать один или несколько генов от совершенно неродственного организма. [17] HGT объясняет, почему сходства и различия в некоторых генах необходимо тщательно изучать, прежде чем использовать их в качестве меры генеалогического родства микробных организмов. [18]

Исследования, направленные на понимание широкого распространения HGT, показали, что легкость, с которой гены передаются между бактериями , делает невозможным применение к ним «концепции биологического вида». [19] [20]

Филогенетическое представление

Со времен Дарвина каждая филогения каждого организма была представлена ​​в виде дерева. Тем не менее, из-за огромной роли, которую ГПГ играет для микробов , некоторые эволюционные микробиологи предложили отказаться от этой классической точки зрения в пользу представления генеалогий, более напоминающего паутину, также известную как сеть. Однако есть некоторые проблемы с этим сетевым представлением, такие как невозможность точно установить донорский организм для события HGT и сложность определения правильного пути между организмами, когда произошло несколько событий HGT. Таким образом, среди биологов до сих пор нет консенсуса относительно того, какое представление лучше подходит для микробного мира. [21]

Методы микробного филогенетического анализа

Большинство микробных таксонов никогда не культивировались и не охарактеризовались экспериментально. Использование таксономии и филогении — важные инструменты для организации разнообразия жизни. Сбор последовательностей генов, выравнивание таких последовательностей на основе гомологии и, таким образом, использование моделей мутаций для вывода об эволюционной истории являются распространенными методами оценки микробной филогении. [22] Малая субъединица (SSU) рРНК (SSU рРНК) произвела революцию в микробной классификации с 1970-х годов и с тех пор стала наиболее секвенируемым геном [23] . Филогенетические выводы делаются на основе выбранных генов, например, ген 16S рРНК обычно выбирается для исследования выводов у бактерий и архей, а микробные эукариоты чаще всего используют ген 18S РНК. [24]

Филогенетические сравнительные методы

Филогенетические сравнительные методы ( ПКМ ) обычно используются для сравнения множества признаков разных организмов. В рамках исследований микробиома использование ПКМ не является обычным явлением, однако недавние исследования оказались успешными в идентификации генов, связанных с колонизацией кишечника человека. [22] Эта проблема была решена путем измерения статистической связи между видами, несущими этот ген, и вероятностью присутствия этого вида в микробиоме кишечника. Анализы демонстрируют сочетание метагеномики дробовика в сочетании с филогенетически осведомленными моделями. [25]

Реконструкция родового государства

Этот метод обычно используется для оценки генетических и метаболических профилей существующих сообществ с использованием набора эталонных геномов, что обычно выполняется с помощью PICRSt (филогенетическое исследование сообществ путем реконструкции ненаблюдаемых состояний) в исследованиях микробиома. [22] PICRSt — это вычислительный подход, позволяющий прогнозировать функциональный состав метагенома с помощью маркерных данных и базы данных эталонных геномов. Чтобы предсказать, какие семейства генов присутствуют, PICRSt использует расширенный алгоритм реконструкции предкового состояния, а затем объединяет семейства генов для оценки составного метагенома. [26]

Анализ филогенетических переменных и расстояний

Филогенетические переменные используются для описания переменных, которые создаются с использованием особенностей филогении для обобщения и сопоставления данных о видах на филогенетическом дереве. Наборы данных о микробиоме можно упростить с помощью филогенетических переменных, сократив размеры данных до нескольких переменных, несущих биологическую информацию. [22] Последние методы, такие как PhILR и филофакторизация, решают проблемы анализа филогенетических переменных. Преобразование PhILR объединяет статистические и филогенетические модели для решения проблем с композиционными данными. Объединение обеих моделей микробной эволюции с изометрическим логарифмическим преобразованием создает преобразование PhILR. [27] Филофакторизация — это инструмент уменьшения размерности, используемый для выявления границ филогении, из которых могли возникнуть предполагаемые функциональные экологические признаки. [28]

Проблемы

Выводы в филогенетике требуют предположения об общем происхождении или гомологии, но когда это предположение нарушается, сигнал может быть нарушен шумом. [23] Возможно, что микробные признаки не связаны между собой из-за горизонтального переноса генов, в результате чего таксономический состав мало что говорит о функции системы. [29]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Орен, А (2010). Папке, RT (ред.). Молекулярная филогения микроорганизмов . Кайстер Академик Пресс . ISBN 978-1-904455-67-7.
  2. ^ Блюм, П., изд. (2010). Археи: новые модели биологии прокариот . Кайстер Академик Пресс . ISBN 978-1-904455-27-1.
  3. ^ Аб Сапп, Дж. (2007). «Структура микробной эволюционной теории». Стад. Хист. Фил. Биол. и Биомед. Наука . 38 (4): 780–795. doi :10.1016/j.shpsc.2007.09.011. ПМИД  18053933.
  4. ^ Дитрих, М. (1998). «Парадокс и убеждение: обсуждение места молекулярной эволюции в эволюционной биологии». Журнал истории биологии . 31 (1): 85–111. дои : 10.1023/А: 1004257523100. PMID  11619919. S2CID  29935487.
  5. ^ Дитрих, М. (1994). «Истоки нейтральной теории молекулярной эволюции». Журнал истории биологии . 27 (1): 21–59. дои : 10.1007/BF01058626. PMID  11639258. S2CID  367102.
  6. ^ Вёзе, ЧР; Фокс, GE (1977). «Филогенетическая структура домена прокариот: первичные царства». Труды Национальной академии наук . 75 (11): 5088–5090. Бибкод : 1977PNAS...74.5088W. дои : 10.1073/pnas.74.11.5088 . ПМК 432104 . ПМИД  270744. 
  7. ^ Сэнгер, Ф.; Никлен, С.; Коулсон, Арканзас (1977). «Секвенирование ДНК с ингибиторами обрыва цепи». Труды Национальной академии наук . 74 (12): 5463–5467. Бибкод : 1977PNAS...74.5463S. дои : 10.1073/pnas.74.12.5463 . ПМК 431765 . ПМИД  271968. 
  8. ^ Максам, AM (1977). «Новый метод секвенирования ДНК». Труды Национальной академии наук . 74 (2): 560–564. Бибкод : 1977PNAS...74..560M. дои : 10.1073/pnas.74.2.560 . ПМК 392330 . ПМИД  265521. 
  9. ^ Муллис, К.Ф.; и другие. (1986). «Специфическая ферментативная амплификация ДНК in vitro: полимеразная цепная реакция». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 51 : 263–273. дои : 10.1101/SQB.1986.051.01.032. PMID  3472723. S2CID  26180176.
  10. ^ Муллис, КБ; Фалуна, ФА (1989). Методика рекомбинантной ДНК . Академическая пресса. стр. 189–204. ISBN 978-0-12-765560-4.
  11. ^ Вёзе, ЧР; и другие. (1990). «На пути к естественной системе организмов: предложение по доменам архей, бактерий и эукариев». Труды Национальной академии наук . 87 (12): 4576–4579. Бибкод : 1990PNAS...87.4576W. дои : 10.1073/pnas.87.12.4576 . ПМК 54159 . ПМИД  2112744. 
  12. ^ Пейс, Н. (1997). «Молекулярный взгляд на микробное разнообразие и биосферу». Наука . 276 (5313): 734–740. дои : 10.1126/science.276.5313.734. ПМИД  9115194.
  13. ^ Пейс, Северная Каролина; и другие. (1985). «Анализ природных микробных популяций по последовательностям рРНК». Новости Американского общества микробиологии . 51 : 4–12.
  14. ^ Уитмен, WB; и другие. (1998). «Прокариоты: невидимое большинство». Труды Национальной академии наук . 95 (12): 6578–6583. Бибкод : 1998PNAS...95.6578W. дои : 10.1073/pnas.95.12.6578 . ПМК 33863 . ПМИД  9618454. 
  15. ^ Делюск, Ф.; Бринкманн, Х.; Филипп, Х. (2005). «Филогеномика и реконструкция древа жизни» (PDF) . Обзоры природы Генетика . 6 (5): 361–375. дои : 10.1038/nrg1603. PMID  15861208. S2CID  16379422.
  16. ^ Дулиттл, WF (1999). «Филогенетическая классификация и универсальное дерево». Наука . 284 (5423): 2124–2128. дои : 10.1126/science.284.5423.2124. ПМИД  10381871.
  17. ^ Бушман, Ф. (2002). Латеральный перенос ДНК: механизмы и последствия . Нью-Йорк: Лабораторное издательство Колд-Спринг-Харбор. ISBN 0879696036.
  18. ^ Андам, Шерил П.; Уильямс, Дэвид; Гогартен, Дж. Питер (8 июня 2010 г.). «Предвзятый перенос генов имитирует закономерности, созданные в результате общего происхождения». Труды Национальной академии наук . 107 (23): 10679–10684. дои : 10.1073/pnas.1001418107 . ISSN  0027-8424. ПМК 2890805 . ПМИД  20495090. 
  19. ^ Охман, Х.; Лоуренс, JG; Гройсман, Э.А. (2000). «Боковой перенос генов и природа бактериальных инноваций». Природа . 405 (6784): 299–304. Бибкод : 2000Natur.405..299O. дои : 10.1038/35012500. PMID  10830951. S2CID  85739173.
  20. ^ Эйзен, Дж. (2000). «Горизонтальный перенос генов между микробными геномами: новые результаты полного анализа генома». Текущее мнение в области генетики и развития . 10 (6): 606–611. doi : 10.1016/S0959-437X(00)00143-X. ПМИД  11088009.
  21. ^ Кунин, В.; Голдовский Л.; Дарзентас, Н.; Узунис, Калифорния (2005). «Сеть жизни: реконструкция микробной филогенетической сети». Геномные исследования . 15 (7): 954–959. дои : 10.1101/гр.3666505. ПМЦ 1172039 . ПМИД  15965028. 
  22. ^ abcd Уошберн, Алекс Д.; Мортон, Джеймс Т.; Сандерс, Джон; Макдональд, Дэниел; Чжу, Циюнь; Оливерио, Анджела М.; Найт, Роб (24 мая 2018 г.). «Методы филогенетического анализа данных микробиома». Природная микробиология . 3 (6): 652–661. дои : 10.1038/s41564-018-0156-0. ISSN  2058-5276. PMID  29795540. S2CID  43962376.
  23. ^ Аб Ву, Мартин; Эйзен, Джонатан А. (2008). «Простой, быстрый и точный метод филогеномного вывода». Геномная биология . 9 (10): 151 рэнд. дои : 10.1186/gb-2008-9-10-r151 . ISSN  1465-6906. ПМЦ 2760878 . ПМИД  18851752. 
  24. ^ Хиллис, Дэвид М.; Диксон, Майкл Т. (1991). «Рибосомальная ДНК: молекулярная эволюция и филогенетический вывод». Ежеквартальный обзор биологии . 66 (4): 411–453. дои : 10.1086/417338. ISSN  0033-5770. PMID  1784710. S2CID  32027097.
  25. ^ Брэдли, Патрик Х.; Найфач, Стивен; Поллард, Кэтрин С. (9 августа 2018 г.). «Филогения скорректированная идентификация семейств микробных генов, имеющих отношение к колонизации кишечника человека». PLOS Вычислительная биология . 14 (8): e1006242. дои : 10.1371/journal.pcbi.1006242 . ISSN  1553-7358. ПМК 6084841 . ПМИД  30091981. 
  26. ^ Ланжилль, Морган Джи; Заневельд, Джесси; Капорасо, Дж. Грегори; Макдональд, Дэниел; Найтс, Дэн; Рейес, Джошуа А; Клементе, Хосе С; Беркепайл, Дерон Э; Вега Тербер, Ребекка Л; Найт, Роб; Бейко, Роберт Дж; Хаттенхауэр, Кертис (2013). «Прогнозирующее функциональное профилирование микробных сообществ с использованием последовательностей маркерного гена 16S рРНК». Природная биотехнология . 31 (9): 814–821. дои : 10.1038/nbt.2676. ISSN  1087-0156. ПМК 3819121 . ПМИД  23975157. 
  27. ^ Сильверман, Джастин Д; Уошберн, Алекс Д; Мукерджи, Саяны; Дэвид, Лоуренс А. (15 февраля 2017 г.). «Филогенетическая трансформация улучшает анализ данных о композиционной микробиоте». электронная жизнь . 6 . doi : 10.7554/eLife.21887 . ISSN  2050-084X. ПМЦ 5328592 . ПМИД  28198697. 
  28. ^ Уошберн, Алекс Д.; Сильверман, Джастин Д.; Лефф, Джонатан В.; Беннетт, Доминик Дж.; Дарси, Джон Л.; Мукерджи, Саяны; Фирер, Ной; Дэвид, Лоуренс А. (9 февраля 2017 г.). «Филогенетическая факторизация композиционных данных дает ассоциации на уровне линии в наборах данных микробиома». ПерДж . 5 : е2969. дои : 10.7717/peerj.2969 . ISSN  2167-8359. ПМК 5345826 . ПМИД  28289558. 
  29. ^ Мартини, Дженнифер Б.Х.; Джонс, Стюарт Э.; Леннон, Джей Т.; Мартини, Адам К. (06 ноября 2015 г.). «Микробиомы в свете особенностей: филогенетическая перспектива». Наука . 350 (6261). дои : 10.1126/science.aac9323 . ISSN  0036-8075.