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]
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]
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]
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]
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]
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 ( 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]
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]
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]
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]