Геномная филостратиграфия
Геномная филостратиграфия — это новый генетический статистический метод, разработанный для определения даты происхождения конкретных генов путем изучения их гомологов у разных видов . Впервые он был разработан Институтом Руджера Бошковича в Загребе , Хорватия . [ 1 ] Система связывает гены с их геном-основателем , что позволяет нам затем определить их возраст. Это может помочь нам лучше понять многие эволюционные процессы, такие как закономерности рождения генов на протяжении эволюции или взаимосвязь между возрастом транскриптома на протяжении эмбрионального развития. Биоинформационные инструменты, такие как GenEra, были разработаны для расчета относительного возраста генов на основе геномной филостратиграфии. [ 2 ]
Метод
[ редактировать ]
Этот метод основан на предположении, что разнообразие генома обусловлено не только дупликацией генов , но и постоянным частым рождением генов de novo. Эти гены (называемые «генами-основателями») могут образоваться из негенных последовательностей ДНК , а также в результате изменений в рамке считывания (или других способов возникновения внутри существующих генов) или даже в результате очень быстрой эволюции белка , который модифицирует последовательность до неузнаваемости. [ 3 ] Эти новые гены сначала будут иметь высокие темпы эволюции, которые затем со временем замедлятся, что позволит нам распознать их происхождение в их потомках. [ 1 ] Гены-основатели затем могут быть помещены в определенный филостратум . Филостратум . представлен как клада, включающая все гены, происходящие от одного и того же гена-основателя, что означает, что этот ген образовался у общего предка этой клады (например, Arthropoda, Mammalia, Metazoa и т. д.) Размещение этих генов-основателей и их потомков в разных филостратах может позволить нам состарить их. Затем это можно использовать для анализа происхождения определенных функций белков и процессов развития в макроэволюционном масштабе, а также путем наблюдения связей между определенными генами.
Оригинальный метод геномной филостратиграфии предполагает использование BLAST поиска сходства последовательностей с 10 −3 Значение E отключено. Собирают гены, считающиеся достаточно схожими по последовательности, и кладу, охватывающую все таксоны, определяют представленные этими генами. Эта клада затем становится филостратом этих генов. Современные реализации заменяют BLAST на DIAMOND, поскольку он на порядки быстрее. [ 4 ] и усовершенствовали этот процесс, чтобы учесть загрязнение последовательностей, горизонтальный перенос генов и случаи неудачного обнаружения гомологии. [ 2 ] Определив общего предка этой клады, мы можем, следовательно, определить возраст гена-основателя и всех его потомков. Применение этого процесса в масштабе всего генома может затем позволить нам обнаружить закономерности рождения генов-основателей и сделать вывод о роли определенных генов, участвующих в специфичных для клады процессах развития и физиологических путях, а также о происхождении этих черт. Разработчики метода привели в оригинальной статье [ 1 ] пример использования этой системы на практике с использованием дрозофилы . Они собрали 13 000 генов, для которых определили гены-основатели, перегруппировав их в соответствующие филостраты. Они также разделили семейства генов в зависимости от того, экспрессируются ли они в основном в одном из трех зародышевых листков ( энтодерме , мезодерме , эктодерме ). Изучая частоту экспрессии генов в этих различных филостратах, они смогли гипотетически определить возможное первоначальное формирование этих зародышевых листков в определенные периоды и предковые организмы в эволюционной истории.
Другие исследования показали, что всплески событий-основателей генов связаны с важными эволюционными инновациями, такими как появление двусторонней симметрии у животных, появление многоклеточности у стрептофитных водорослей, колонизация суши растениями или появление цветковых растений . [ 2 ]
С момента своего изобретения эта исследовательская группа регулярно использовала геномную филостратиграфию. [ 5 ] как и другие, [ 6 ] в частности, в попытке определить происхождение раковых генов , по-видимому, демонстрируя сильную связь между пиком образования раковых генов и переходом к многоклеточным организмам , связь, которая была ранее выдвинута гипотезой и, следовательно, дополнительно подтверждается филостратиграфией. По мере роста его использования этот метод неоднократно оценивался и совершенствовался, а также были разработаны программы, которые запускают его автоматически и более эффективно. [ 2 ] [ 3 ]
Одним из наиболее известных применений геномной филостратиграфии является установление корреляции между филогенией и процессами развития (часто называемой корреляцией филогения-онтогенез). С помощью геномной филостратиграфии ученые по сей день обнаруживают значительную фило-онтогенную корреляцию у животных, [ 7 ] растения, [ 8 ] грибы, [ 9 ] [ 10 ] и даже бактериальные биопленки. [ 11 ]
Критика
[ редактировать ]Несмотря на то, что в настоящее время геномная филостратиграфия часто используется научным сообществом, она также подверглась некоторой критике за то, что она слишком неточна, чтобы ее измерения могли быть заслуживающими доверия. Прежде всего, по мнению некоторых авторов, в предположениях отсутствует точность. [ 12 ] [ 13 ] Например, ошибочно предполагать, что все виды за пределами рассматриваемого организма имеют одинаковую скорость эволюции белков, что неверно, поскольку она варьируется в зависимости от скорости клеточного цикла , что приводит к проблемам с установлением пределов ошибки BLAST для захвата всех белков. произошли от одного и того же гена-основателя. Другой момент заключается в том, что поиск BLAST предполагает, что скорость эволюции белка постоянна на всех его сайтах, что также неверно. Наконец, можно сказать, что модель неправильно учитывает дупликацию генов, а также потерю генов: изменения в темпах эволюции, вызванные дупликацией генов из-за новых функциональных изменений, увеличат частоту ошибок BLAST и потерю генов в таксонах, отдаленных от Земли. тот, который изучался, может привести к большим недооценкам рассчитанного генного возраста и филострата генов-основателей по сравнению с их истинными значениями. Однако вместо того, чтобы требовать простого отказа от метода, критики пытались улучшить его исходное состояние, вводя другие потенциальные математические формулы или инструменты поиска последовательностей. [ 14 ] хотя Институт Руджера Бошковича ответил на такую критику, заявив, что их первоначальный подход был обоснованным и не нуждался в серьезном пересмотре. [ 15 ] Эти дебаты также включены в более широкую дискуссию о важности рождения генов de novo в создании генетического разнообразия, в которой геномная филостратиграфия подтверждает, что они действительно оказывают сильный эффект. Также было предложено, что события-основатели генов представляют собой не только события рождения генов de novo , но и значительные изменения в последовательности белков, которые изменяют их до неузнаваемости с другими родственными генами и, таким образом, приобретают новую биологическую активность. [ 16 ] Тем не менее, геномная филостратиграфия предполагает, что обнаружение таких «событий-основателей» влечет за собой эволюционную новизну. Однако недавние исследования показывают, что обнаружение генов, которые ограничены определенными таксономическими группами (таксономически ограниченные гены), можно объяснить неудачей в обнаружении гомологии, то есть неспособностью биоинформатических инструментов (BLAST или любого другого инструмента для обнаружения гомологии последовательностей) проследить гомологию, когда белковые последовательности малы и развиваются с высокой скоростью, что приводит к невозможности отслеживания генов. [ 17 ] Таким образом, большая часть предполагаемых «событий-основателей», которые первоначально были обнаружены с помощью геномной филостратиграфии, могла быть переинтерпретирована как методологический артефакт из-за технологических ограничений обнаружения более отдаленно родственных гомологов. К счастью, невозможность обнаружения гомологии можно явно проверить. [ 17 ] Недавно разработанный инструмент GenEra способен отделить неудачу обнаружения гомологии от потенциальных событий-основателей генов путем явного тестирования на неотслеживаемость генов. [ 2 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д Домазет-Лосо Т., Брайкович Дж., Таутц Д. (ноябрь 2007 г.). «Филостратиграфический подход к раскрытию геномной истории основных адаптаций в линиях многоклеточных животных». Тенденции в генетике . 23 (11): 533–539. дои : 10.1016/j.tig.2007.08.014 . ПМИД 18029048 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Баррера-Редондо, Жозуэ; Лотарукпонг, Джаруватана Содай; Дрост, Хайк-Георг; Коэльо, Сусана М. (24 марта 2023 г.). «Раскрытие событий-основателей семейства генов во время крупных эволюционных переходов у животных, растений и грибов с помощью GenEra» . Геномная биология . 24 (1): 1552–1554. дои : 10.1186/s13059-023-02895-z . ПМЦ 10037820 . ПМИД 10037820 .
- ^ Перейти обратно: а б Арендси З., Ли Дж., Сингх У., Ситхарам А., Дорман К., Вюртеле Э.С. (октябрь 2019 г.). «Филостратр: основа филостратиграфии» . Биоинформатика . 35 (19): 3617–3627. bioRxiv 10.1101/360164 . doi : 10.1093/биоинформатика/btz171 . ПМИД 30873536 .
- ^ Бухфинк, Бенджамин; Рейтер, Клаус; Дрост, Хайк-Георг (апрель 2021 г.). «Чувствительное выравнивание белков в масштабе древа жизни с использованием DIAMOND» . Природные методы . 18 (4): 366–368. дои : 10.1038/s41592-021-01101-x . ПМК 8026399 . ПМИД 33828273 .
- ^ Домазет-Лосо Т., Тауц Д. (май 2010 г.). «Филостратиграфическое отслеживание раковых генов предполагает связь с появлением многоклеточности у многоклеточных животных» . БМК Биология . 8 (1): 66. дои : 10.1186/1741-7007-8-66 . ПМК 2880965 . ПМИД 20492640 .
- ^ Чжан Л, Тан Ю, Фань С, Чжан Х, Чжан Цз (февраль 2019 г.). «Филостратиграфический анализ сети совместной экспрессии генов показывает эволюцию функциональных модулей рака яичников» . Научные отчеты . 9 (1): 2623. Бибкод : 2019NatSR...9.2623Z . дои : 10.1038/s41598-019-40023-9 . ПМК 6384884 . ПМИД 30796309 .
- ^ Домазет-Лошо Т., Таутц Д. (декабрь 2010 г.). «Филогенетически основанный индекс возраста транскриптома отражает закономерности онтогенетических расхождений». Природа . 468 (7325): 815–818. Бибкод : 2010Natur.468..815D . дои : 10.1038/nature09632 . ПМИД 21150997 . S2CID 1417664 .
- ^ Квинт М., Дрост Х.Г., Габель А., Ульрих К.К., Бонн М., Гросс I (октябрь 2012 г.). «Транскриптомные песочные часы в эмбриогенезе растений». Природа . 490 (7418): 98–101. Бибкод : 2012Natur.490...98Q . дои : 10.1038/nature11394 . ПМИД 22951968 . S2CID 4404460 .
- ^ Ченг Икс, Хуэй Дж.Х., Ли Ю.И., Ван Лоу П.Т., Кван Х.С. (июнь 2015 г.). «Песочные часы развития» грибов . Молекулярная биология и эволюция . 32 (6): 1556–1566. дои : 10.1093/molbev/msv047 . ПМИД 25725429 .
- ^ Се Ю, Кван Х.С., Чан П.Л., Ву В, Чиу Дж., Чанг Дж. (16 июля 2022 г.). «Филотранскриптомный паттерн песочных часов у грибов: обновленная модель». bioRxiv : 2022.07.14.500038. дои : 10.1101/2022.07.14.500038 . S2CID 250646039 .
- ^ Футо М., Опашич Л., Коска С., Чорак Н., Широки Т., Равикумар В. и др. (январь 2021 г.). «Эмбриоподобные особенности развития биопленок Bacillus subtilis» . Молекулярная биология и эволюция . 38 (1): 31–47. дои : 10.1093/molbev/msaa217 . ПМЦ 7783165 . ПМИД 32871001 .
- ^ Мойерс Б.А., Чжан Дж. (январь 2015 г.). «Филостратиграфическая предвзятость создает ложные закономерности эволюции генома» . Молекулярная биология и эволюция . 32 (1): 258–267. дои : 10.1093/molbev/msu286 . ПМЦ 4271527 . ПМИД 25312911 .
- ^ Касола С (ноябрь 2018 г.). «От Де Ново к «Де Ноно»: большинство новых генов, кодирующих белки, идентифицированных с помощью филостратиграфии, представляют собой старые гены или недавние дубликаты» . Геномная биология и эволюция . 10 (11): 2906–2918. дои : 10.1093/gbe/evy231 . ПМК 6239577 . ПМИД 30346517 .
- ^ Мойерс Б.А., Чжан Дж (август 2018 г.). Мартин Б. (ред.). «На пути к уменьшению филостратиграфических ошибок и предубеждений» . Геномная биология и эволюция . 10 (8): 2037–2048. дои : 10.1093/gbe/evy161 . ПМК 6105108 . ПМИД 30060201 .
- ^ Домазет-Лошо Т., Карвунис А.Р., Альба М.М., Шестак М.С., Бакарич Р., Неме Р., Таутц Д. (апрель 2017 г.). «Нет доказательств филостратиграфической предвзятости, влияющей на выводы о закономерностях появления и эволюции генов» . Молекулярная биология и эволюция . 34 (4): 843–856. дои : 10.1093/molbev/msw284 . ПМК 5400388 . ПМИД 28087778 .
- ^ Таутц, Дитхард; Домазет-Лошо, Томислав (октябрь 2011 г.). «Эволюционное происхождение генов-сирот». Обзоры природы Генетика . 12 (10): 692–702. дои : 10.1038/nrg3053 .
- ^ Перейти обратно: а б Вейсман, Кэролайн М.; Мюррей, Эндрю В.; Эдди, Шон Р. (2 ноября 2020 г.). «Многие, но не все, гены, специфичные для линии, можно объяснить неудачей в обнаружении гомологии» . ПЛОС Биология . 18 (11): e3000862. дои : 10.1371/journal.pbio.3000862 . ПМК 7660931 . ПМИД 33137085 .