Секвенирование генома исчезающих видов
Секвенирование генома исчезающих видов — это применение технологий секвенирования следующего поколения (NGS) в области природоохранной биологии с целью получения истории жизни , демографических и филогенетических данных, имеющих отношение к управлению дикой природой, находящейся под угрозой исчезновения . [1]
Фон
[ редактировать ]В контексте природоохранной биологии геномные технологии, такие как получение крупномасштабных наборов данных секвенирования посредством секвенирования ДНК, могут использоваться для выявления соответствующих аспектов биологии видов дикой природы, в отношении которых могут потребоваться меры управления. Это может включать оценку недавних демографических событий, генетических вариаций , расхождений между видами и структурой популяций. Полногеномные исследования ассоциаций (GWAS) полезны для изучения роли естественного отбора на уровне генома, для выявления локусов, связанных с приспособленностью, местной адаптацией, инбридингом, депрессией или восприимчивостью к болезням. Доступ ко всем этим данным и исследование полногеномных вариаций маркеров SNP могут помочь выявить генетические изменения, которые влияют на приспособленность диких видов, а также важны для оценки потенциальной реакции на изменение окружающей среды. Ожидается, что проекты NGS быстро увеличат количество видов, находящихся под угрозой исчезновения, для которых доступны собранные геномы и подробная информация о вариациях последовательностей, а эти данные будут способствовать исследованиям, связанным с сохранением биологического разнообразия. [1]
Методология
[ редактировать ]Невычислительные методы
[ редактировать ]Традиционными подходами к сохранению исчезающих видов являются разведение в неволе и частное фермерство . В некоторых случаях эти методы привели к отличным результатам, но некоторые проблемы все еще остаются. Например, при инбридинге лишь нескольких особей генетический фонд субпопуляции остается ограниченным или может уменьшиться. [ нужна ссылка ]
Филогенетический анализ и оценка семейства генов
[ редактировать ]Генетический анализ может исключить субъективные элементы из определения филогенетических отношений между организмами. Учитывая большое разнообразие информации, предоставляемой живыми организмами, становится ясно, что тип данных будет влиять как на метод лечения, так и на достоверность результатов: чем выше корреляция данных и генотипа, тем большей будет достоверность. Анализ данных можно использовать для сравнения различных баз данных секвенирования и поиска схожих последовательностей или схожего белка у разных видов. Сравнение можно провести с помощью информационного программного обеспечения, основанного на выравнивании, чтобы узнать различия между разными видами и оценить сходство. [2] [ нужен лучший источник ]
NGS/Расширенные методологии секвенирования
[ редактировать ]Поскольку полногеномное секвенирование, как правило, требует очень больших объемов данных, для практических приложений иногда используются методы геномного подхода с уменьшенным представлением. Например, методы секвенирования ДНК, ассоциированного с сайтом рестрикции ( RADseq разрабатываются ), и метода двойного расщепления RADseq. С помощью этих методов исследователи могут ориентироваться на различное количество локусов. Используя статистический и биоинформационный подход, ученые могут рассуждать о больших геномах, просто сосредоточив внимание на небольшой репрезентативной их части. [3]
Статистические и вычислительные методы
[ редактировать ]При решении биологических задач приходится сталкиваться с несколькими типами геномных данных или иногда с совокупностью однотипных данных в нескольких исследованиях, и декодирование такого огромного количества данных вручную неосуществимо и утомительно. Поэтому стал популярным комплексный анализ геномных данных с использованием статистических методов. Быстрое развитие высокопроизводительных технологий позволяет исследователям отвечать на более сложные биологические вопросы, что позволяет разрабатывать статистические методы интегрированной геномики для разработки более эффективных терапевтических стратегий для лечения заболеваний человека. [4]
Важные особенности генома
[ редактировать ]При изучении генома следует учитывать некоторые важные аспекты. Прогнозирование генов — это идентификация генетических элементов в геномной последовательности. Данное исследование основано на сочетании подходов: de novo, предсказания гомологии и транскрипции. Такие инструменты, как EvidenceModeler, используются для объединения различных результатов. [5] Также сравнивалась структура генов, включая длину мРНК, длину экзона , длину интрона, количество экзонов и некодирующую РНК . [ нужна ссылка ]
Анализ повторяющихся последовательностей оказался полезным для реконструкции временных рамок дивергенции видов. [6]
Применение и тематические исследования
[ редактировать ]Геномный подход в определении пола
[ редактировать ]Для сохранения вида решающее значение имеет знание системы спаривания: ученые могут стабилизировать дикие популяции посредством разведения в неволе с последующим выпуском в окружающую среду новых особей. [3] Эта задача особенно усложняется, если рассматривать виды с гомоморфными половыми хромосомами и большим геномом. [3] Например, у земноводных существуют множественные переходы между мужской и/или женской гетерогаметией . Иногда сообщалось даже о вариациях половых хромосом внутри популяций земноводных одного и того же вида. [3]
Японская гигантская саламандра
[ редактировать ]
Множественные переходы между системами XY и ZW, которые происходят у амфибий, определяют лабильность систем половых хромосом в саламандр популяциях . Понимая хромосомную основу пола этих видов, можно реконструировать филогенетическую историю этих семейств и использовать более эффективные стратегии их сохранения.
С помощью метода ddRADseq ученые обнаружили новые локусы, связанные с полом, в геноме размером 56 Гб семейства Cryptobranchidae. Их результаты подтверждают гипотезу женской гетерогаметности этого вида. Эти локусы были подтверждены посредством биоинформатического анализа присутствия/отсутствия этого генетического локуса у лиц с определенным полом. Их пол был установлен ранее с помощью УЗИ, лапароскопии и измерения разницы уровней кальция в сыворотке. Определение этих половых локусов-кандидатов проводилось для проверки гипотез как о женской, так и о мужской гетерогаметности. Наконец, чтобы оценить достоверность этих локусов, их амплифицировали с помощью ПЦР непосредственно из образцов особей известного пола. Этот последний шаг привел к демонстрации женской гетерогаметности нескольких дивергентных популяций семейства Cryptobranchidae. [3]
Геномный подход к генетической изменчивости
[ редактировать ]Обезьяна-дриас и золотая курносая обезьяна
[ редактировать ]
В недавнем исследовании использовались данные полногеномного секвенирования , чтобы продемонстрировать сестринскую линию между обезьянами-дриасами и верветками , а также их расхождение с дополнительным двунаправленным потоком генов примерно от 750 000 до примерно 500 000 лет назад. Исследование, в котором осталось менее 250 взрослых особей, показало высокое генетическое разнообразие и низкие уровни инбридинга и генетической нагрузки у изученных особей обезьян дриас. [7]
В другом исследовании использовалось несколько методов, таких как секвенирование одиночных молекул в реальном времени , парное секвенирование , оптические карты и высокопроизводительный захват конформации хромосом , чтобы получить высококачественную сборку хромосом из уже созданной неполной и фрагментированной сборки генома золотистого курносого. обезьяна . Современные методы, использованные в этом исследовании, продемонстрировали 100-кратное улучшение генома с 22 497 генами, кодирующими белки, большинство из которых были функционально аннотированы. Реконструированный геном показал тесное родство между этим видом и макак-резус , что указывает на расхождение, произошедшее примерно 13,4 миллиона лет назад. [8]
Геномный подход в сохранении
[ редактировать ]Растения
[ редактировать ]Виды растений, идентифицированные как PSESP («виды растений с чрезвычайно малочисленной популяцией»), были в центре внимания геномных исследований с целью определения популяций, находящихся под наибольшей угрозой исчезновения. [9] [10] Геном ДНК можно секвенировать, начиная со свежих листьев, путем экстракции ДНК. Сочетание различных методов секвенирования можно использовать для получения высококачественных данных, которые можно использовать для сборки генома. Экстракция РНК необходима для сборки транскриптома , и процесс экстракции начинается со стебля, корней, плодов, почек и листьев. Сборку генома de novo можно выполнить с помощью программного обеспечения для оптимизации сборки и создания каркасов. Программное обеспечение также можно использовать для заполнения пробелов и уменьшения взаимодействия между хромосомами. Комбинация различных данных может быть использована для идентификации ортологичного гена у разных видов, построения филогенетического дерева и межвидового сравнения геномов. [9]
Ограничения и перспективы на будущее
[ редактировать ]Развитие методов непрямого секвенирования в некоторой степени смягчило недостаток эффективных технологий секвенирования ДНК. Эти методы позволили исследователям расширить научные знания в таких областях, как экология и эволюция. Несколько генетических маркеров , более или менее хорошо подходящих для этой цели, были разработаны, помогая исследователям решать многие проблемы, среди которых демография и системы спаривания, популяционные структуры и филогеография, видообразующие процессы и видовые различия, гибридизация и интрогрессия, филогенетика во многих временных масштабах. Однако все эти подходы имели основной недостаток: все они ограничивались лишь частью всего генома, так что общегеномные параметры можно было вывести из крошечного количества генетического материала. [11]
Изобретение и развитие методов секвенирования ДНК внесли огромный вклад в увеличение доступных данных, потенциально полезных для улучшения области биологии сохранения . Постоянное развитие более дешевых и высокопроизводительных технологий позволило производить широкий спектр информации в нескольких дисциплинах, предоставив биологам-природоохранникам очень мощный банк данных, из которого можно было экстраполировать полезную информацию, например, о структуре популяции, генетических связях, выявлении потенциальных рисков. из-за демографических изменений и процессов инбридинга с помощью популяционно-геномных подходов, основанных на обнаружении SNP, indel или CNV. С одной стороны, данные, полученные в результате высокопроизводительного секвенирования целых геномов, потенциально могли стать огромным достижением в области сохранения видов, открывая широкие двери для будущих задач и возможностей. С другой стороны, все эти данные поставили исследователей перед двумя основными проблемами. Во-первых, как обрабатывать всю эту информацию. Во-вторых, как воплотить всю доступную информацию в природоохранные стратегии и практику или, другими словами, как заполнить пробел между геномными исследованиями и природоохранными мероприятиями. [12] [13] [14]
К сожалению, существует множество аналитических и практических проблем, которые необходимо учитывать при использовании подходов, включающих полногеномное секвенирование. Доступность образцов является основным ограничивающим фактором: процедуры отбора проб могут нарушить и без того хрупкую популяцию или могут оказать большое влияние на самих отдельных животных, что приведет к ограничениям на сбор образцов. По этим причинам было разработано несколько альтернативных стратегий: постоянный мониторинг, например, с помощью радиоошейников, позволяет нам понять поведение и разработать стратегии для получения генетических образцов и управления исчезающими популяциями. Образцы, взятые у этих видов, затем используются для получения первичной клеточной культуры из биопсии. Действительно, этот вид материала позволяет нам выращивать клетки in vitro, а также извлекать и изучать генетический материал без постоянного отбора проб из находящихся под угрозой исчезновения популяций. Несмотря на более быстрое и простое получение данных и постоянное совершенствование технологий секвенирования, все еще наблюдается заметная задержка в методах анализа и обработки данных. Полногеномный анализ и исследования больших геномов требуют достижений в области биоинформатики и биоинформатики. вычислительная биология . В то же время для разработки более эффективных стратегий сохранения необходимы улучшения статистических программ и популяционной генетики. Этот последний аспект работает параллельно со стратегиями прогнозирования, которые должны учитывать все особенности, определяющие приспособленность вида. [1]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Штайнер, Синтия С.; Патнэм, Андреа С.; Хёк, Пахита Э.А.; Райдер, Оливер А. (2013). «Сохранение геномики видов животных, находящихся под угрозой исчезновения». Ежегодный обзор биологических наук о животных . 1 : 261–281. doi : 10.1146/annurev-animal-031412-103636 . ПМИД 25387020 .
- ^ Бетцер, Мартен; Хенкель, Кристиан В.; Янсен, Ханс Дж.; Батлер, Дерек; Пировано, Уолтер (15 февраля 2011 г.). «Предварительно собранные контиги строительных лесов с использованием SSPACE» . Биоинформатика . 27 (4): 578–579. doi : 10.1093/биоинформатика/btq683 . ISSN 1367-4811 . ПМИД 21149342 .
- ^ Jump up to: а б с д и Химе, Пол М.; Бригглер, Джеффри Т.; Рис, Джошуа С.; Вайсрок, Дэвид В. (01 октября 2019 г.). «Геномные данные показывают консервативную женскую гетерогаметию у гигантских саламандр с гигантскими ядерными геномами» . G3: Гены, геномы, генетика . 9 (10): 3467–3476. дои : 10.1534/g3.119.400556 . ISSN 2160-1836 . ПМК 6778777 . ПМИД 31439718 .
- ^ Ричардсон, Сильвия; Ценг, Джордж К.; Сунь, Вэй (июнь 2016 г.). «Статистические методы в интегративной геномике» . Ежегодный обзор статистики и ее применения . 3 (1): 181–209. Бибкод : 2016AnRSA...3..181R . doi : 10.1146/annurev-statistics-041715-033506 . ISSN 2326-8298 . ПМК 4963036 . ПМИД 27482531 .
- ^ Хаас, Брайан Дж.; и др. (2008). «Автоматическое аннотирование структуры генов эукариот с использованием EVidenceModeler и программы для сборки сплайсированных выравниваний» . Геномная биология . 9 (1): С7. дои : 10.1186/gb-2008-9-1-r7 . ПМК 2395244 . ПМИД 18190707 .
- ^ «Животных, находящихся под угрозой исчезновения, можно определить по скорости потери генетического разнообразия – Университет Пердью» . www.purdue.edu . Проверено 26 ноября 2019 г.
- ^ ван дер Валк, Том; Гонда, Каталина М; Силегова, Анри; Альманса, Сандра; Сифуэнтес-Ромеро, Ицель; Харт, Тереза Б; Харт, Джон А; Детвайлер, Кейт М; Гущанский, Катерина (2020). Йодер, Энн (ред.). «Геном находящейся под угрозой исчезновения обезьяны дриас дает новое понимание эволюционной истории верветок» . Молекулярная биология и эволюция . 37 : 183–194. дои : 10.1093/molbev/msz213 . ISSN 0737-4038 . ПМЦ 6984364 . ПМИД 31529046 .
- ^ Ван, Цзиньвэй; Ди, Даньдан, Юхун; Чжан, Суюн; Ци, Сяо-Гуан (01.08.2019) . Сборка генома находящейся под угрозой исчезновения золотой курносой обезьяны (Rhinopithecus roxellana)» . GigaScience . 8 (8): giz098. : 10.1093 /gigascience/giz098 . ISSN 2047-217X . PMC 6705546. doi PMID 31437279 .
- ^ Jump up to: а б Ян, Цзин; Хафиз Мухаммад; Чжан, Ренган; Цюаньчжэн, Питер; Ло, Гуйфэнь; Ма, Юнпэн, Вейбан (01.07.2019). « Сборка генома De novo исчезающего вида растений с чрезвычайно небольшой популяцией, эндемичного doi / Юньнань » , : 10.1093 giz085 . провинции / для . gigascience Китай
- ^ Му, Вэй, Цзиньпу; Фань, Яньнан; Ян, Цзиньлун; Лю, Цзе, Цзяньмин; Сунь, Сюнь (2020) . Сборка генома находящегося под угрозой исчезновения Nyssa yunnanensis, вида растений с чрезвычайно небольшой популяцией, эндемичного для провинции Юньнань, Китай» . Gigabyte . 2020 : 1–12. doi : 10.46471/gigabyte.4 . PMC 9632040 .
- ^ Авис, Джон К. (апрель 2010 г.). «Перспектива: консервативная генетика вступает в эпоху геномики» . Сохраняющая генетика . 11 (2): 665–669. дои : 10.1007/s10592-009-0006-y . ISSN 1566-0621 . S2CID 35157515 .
- ^ Штайнер, Синтия С.; Патнэм, Андреа С.; Хёк, Пахита Э.А.; Райдер, Оливер А. (январь 2013 г.). «Сохранение геномики видов животных, находящихся под угрозой исчезновения». Ежегодный обзор биологических наук о животных . 1 (1): 261–281. doi : 10.1146/annurev-animal-031412-103636 . ISSN 2165-8102 . ПМИД 25387020 .
- ^ Фрэнкхэм, Ричард (сентябрь 2010 г.). «Проблемы и возможности генетических подходов к биологическому сохранению». Биологическая консервация . 143 (9): 1919–1927. дои : 10.1016/j.biocon.2010.05.011 . ISSN 0006-3207 .
- ^ Шафер, Аарон Б.А.; Вольф, Йохен Б.В.; Алвес, Пауло К.; Бергстрем, Линнея; Бруфорд, Майкл В.; Брэннстрем, Иоана; Коллинг, Гай; Дален, Любовь; Мистер, Люк Де; Экблом, Роберт; Фосетт, Кэти Д. (01 февраля 2015 г.). «Геномика и ее непростое применение в природоохранной практике» . Тенденции в экологии и эволюции . 30 (2): 78–87. дои : 10.1016/j.tree.2014.11.009 . hdl : 10400.7/574 . ISSN 0169-5347 . ПМИД 25534246 .