Штрих-кодирование микробной ДНК

Штрих-кодирование микробной ДНК — это использование метабаркодирования ДНК для характеристики смеси микроорганизмов . Метабаркодирование ДНК — это метод штрих-кодирования ДНК, который использует универсальные генетические маркеры для идентификации ДНК смеси организмов. [1]
История
[ редактировать ]Часть серии о |
ДНК штрих-кодирование |
---|
![]() |
По таксонам |
Другой |
Использование метабаркодирования для оценки микробных сообществ имеет долгую историю. Еще в 1972 году Карл Везе , Митчелл Согин и Стивен Согин впервые попытались обнаружить несколько семейств внутри бактерий, используя ген 5S рРНК . [2] Всего несколько лет спустя новое древо жизни с тремя доменами снова было предложено Везе и его коллегами, которые первыми использовали малую субъединицу гена рибосомальной РНК (SSU рРНК) для различения бактерий, архей и эукариот . [3] Благодаря этому подходу ген SSU рРНК стал наиболее часто используемым генетическим маркером как для прокариот (16S рРНК), так и для эукариот ( 18S рРНК ). Утомительный процесс клонирования этих фрагментов ДНК для секвенирования ускорился благодаря постоянному совершенствованию технологий секвенирования. С развитием HTS (высокопроизводительного секвенирования) в начале 2000-х годов и возможностью обрабатывать эти огромные данные с помощью современной биоинформатики и кластерных алгоритмов исследование микробной жизни стало намного проще.
Генетические маркеры
[ редактировать ]Генетическое разнообразие варьируется от вида к виду. Следовательно, можно идентифицировать отдельные виды путем восстановления короткой последовательности ДНК из стандартной части генома. Эта короткая последовательность определяется как последовательность штрих-кода. Требованием к тому, чтобы определенная часть генома служила штрих-кодом, должна быть высокая вариация между двумя разными видами , но не большие различия в гене между двумя особями одного и того же вида, чтобы облегчить дифференциацию отдельных видов. [4] [5] И для бактерий, и для архей используется ген 16S рРНК/рДНК. Это общий ген «домашнего хозяйства» во всех прокариотических организмах, поэтому он используется в качестве стандартного штрих-кода для оценки разнообразия прокариот. Для простейших используется соответствующий ген 18S рРНК/рДНК. [6] Чтобы различать разные виды грибов, область ITS ( внутренний транскрибируемый спейсер ) рибосомального цистрона . используется [7]
Преимущества
[ редактировать ]Существующее разнообразие микробного мира еще до конца не разгадано, хотя известно, что его в основном составляют бактерии, грибы и одноклеточные эукариоты. [4] Таксономическая идентификация микробных эукариот требует чрезвычайно умелых знаний и часто затруднена из-за небольших размеров организмов, фрагментированных особей, скрытого разнообразия и загадочных видов . [8] [9] Кроме того, прокариоты просто невозможно таксономически отнести с помощью традиционных методов, таких как микроскопия , потому что они слишком малы и морфологически неразличимы. Таким образом, с помощью метабаркодирования ДНК можно идентифицировать организмы без таксономических знаний путем сопоставления коротких фрагментов генов, полученных с помощью высокопроизводительных последовательностей (HTS), с базой данных эталонных последовательностей, например NCBI . [10] Эти упомянутые качества делают штрих-кодирование ДНК экономически эффективным, надежным и менее трудоемким методом по сравнению с традиционными методами для удовлетворения растущей потребности в крупномасштабных экологических оценках.
Приложения
[ редактировать ]После первого использования Woese et al. было проведено множество исследований, которые теперь охватывают различные приложения. не только в биологических или экологических исследованиях Метабаркодирование используется . Бактериальные штрих-коды используются также в медицине и биологии человека, например, для исследования микробиома и бактериальной колонизации кишечника человека у нормальных и тучных близнецов. [11] или сравнительные исследования состава кишечных бактерий новорожденных, детей и взрослых. [12] Кроме того, штрих-кодирование играет важную роль в биомониторинге, например, рек и ручьев. [13] и восстановление лугов. [14] Природоохранная паразитология, экологическая паразитология и палеопаразитология также полагаются на штрих-кодирование как на полезный инструмент в исследовании болезней и борьбе с ними. [15]
Цианобактерии
[ редактировать ]Цианобактерии — группа фотосинтезирующих прокариотов . Как и у других прокариот, систематика цианобактерий с использованием последовательностей ДНК в основном основана на сходстве рибосомного гена 16S . [16] Таким образом, наиболее распространенным штрих-кодом, используемым для идентификации цианобактерий, является 16S рДНК маркер внутри прокариотических организмов сложно . Хотя определить виды , маркер 16S можно использовать для определения отдельных операционных таксономических единиц (OTU). В некоторых случаях эти OTU также могут быть связаны с традиционно определяемыми видами и, следовательно, могут считаться надежным представлением эволюционных взаимоотношений . [17]

Однако при анализе таксономической структуры или биоразнообразия целого цианобактериального сообщества (см. Метабаркодирование ДНК ) более информативно использовать маркеры, специфичные для цианобактерий. Универсальные бактериальные праймеры 16S успешно использовались для выделения рДНК цианобактерий из образцов окружающей среды , но они также восстанавливают многие бактериальные последовательности. [18] [19] Использование специфичных для цианобактерий [20] или фитоспецифические 16S-маркеры обычно используются только для фокусировки на цианобактериях. [21] Несколько наборов таких праймеров были протестированы на штрих- или метабаркодирование образцов окружающей среды и дали хорошие результаты, отсеивая большинство нефотосинтезирующих или нецианобактериальных организмов. [22] [21] [23] [24]
Количество секвенированных геномов цианобактерий, доступных в базах данных, увеличивается. [25] Таким образом, помимо маркера 16S, филогенетические исследования могут включать также более вариабельные последовательности, такие как последовательности генов, кодирующих белок (gyrB, rpoC, rpoD, [26] рбкл, гетР, [27] псба, [28] [29] рнпб, [30] нифХ, [31] нифД [32] ), внутренний транскрибируемый спейсер генов рибосомальных РНК (16S-23S рРНК-ITS) [33] [25] или фикоцианиновый межгенный спейсер (PC-IGS). [33] Однако nifD и nifH можно использовать только для идентификации азотфиксирующих штаммов цианобактерий.
ДНК-штрих-кодирование цианобактерий может применяться в различных экологических, эволюционных и таксономических исследованиях. Некоторые примеры включают оценку разнообразия цианобактерий и структуры сообщества, [34] выявление вредных цианобактерий в экологически и экономически важных водоемах [35] и оценка цианобактериальных симбионтов у морских беспозвоночных . [24] Он может стать частью рутинных программ мониторинга появления цианобактерий, а также раннего обнаружения потенциально токсичных видов в водоемах. Это может помочь нам обнаружить вредные виды до того, как они начнут цвести , и тем самым улучшить наши стратегии управления водными ресурсами. Идентификация видов на основе ДНК окружающей среды может быть особенно полезна для цианобактерий, поскольку традиционная идентификация с использованием микроскопии является сложной задачей. Их морфологические характеристики, положенные в основу видового разграничения, различаются в разных условиях произрастания. [20] [36] Идентификация под микроскопом также требует много времени и, следовательно, относительно дорога. Молекулярные методы позволяют обнаружить гораздо меньшую концентрацию цианобактериальных клеток в образце, чем традиционные методы идентификации.
Справочные базы данных
[ редактировать ]Справочная база данных представляет собой набор последовательностей ДНК, которые относятся либо к виду, либо к функции. Его можно использовать для связи полученных молекулярных последовательностей организма с уже существующей таксономией. Общие базы данных, такие как платформа NCBI , включают в себя все виды последовательностей: либо целые геномы, либо конкретные маркерные гены всех организмов. Существуют также различные платформы, на которых хранятся только последовательности из отдельной группы организмов, например база данных UNITE. [37] исключительно для последовательностей грибов или база данных PR2 исключительно для рибосомальных последовательностей простейших. [38] Некоторые базы данных курируются, что позволяет выполнять таксономическое определение с более высокой точностью, чем использование некурируемых баз данных в качестве справочного материала.
См. также
[ редактировать ]- Консорциум штрих-кода жизни
- Штрих-кодирование ДНК водорослей
- ДНК-штрихкодирование
- Штрих-кодирование ДНК при оценке диеты
- Штрих-кодирование ДНК рыб
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Эльбрехт В., Лиз Ф. (8 июля 2015 г.). «Могут ли оценки экосистем на основе ДНК дать количественную оценку численности видов? Проверка смещения праймеров и биомассы - отношения последовательностей с помощью инновационного протокола метабаркодирования» . ПЛОС ОДИН . 10 (7): e0130324. Бибкод : 2015PLoSO..1030324E . дои : 10.1371/journal.pone.0130324 . ПМЦ 4496048 . ПМИД 26154168 .
- ^ Согин С.Дж., Согин М.Л., Везе Ч.Р. (июнь 1972 г.). «Филогенетическое измерение прокариот путем первичной структурной характеристики». Журнал молекулярной эволюции . 1 (2): 173–84. Бибкод : 1972JMolE...1..173S . дои : 10.1007/BF01659163 . ПМИД 24173440 . S2CID 3666143 .
- ^ Вёзе Ч.Р., Кандлер О., Уилис М.Л. (июнь 1990 г.). «На пути к естественной системе организмов: предложение по доменам архей, бактерий и эукариев» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 87 (12): 4576–9. Бибкод : 1990PNAS...87.4576W . дои : 10.1073/pnas.87.12.4576 . ПМК 54159 . ПМИД 2112744 .
- ^ Jump up to: а б Чакраборти К., Досс К.Г., Патра БК, Бандиопадьяй С. (апрель 2014 г.). «Штрих-кодирование ДНК для картирования микробных сообществ: текущие достижения и будущие направления». Прикладная микробиология и биотехнология . 98 (8): 3425–36. дои : 10.1007/s00253-014-5550-9 . ПМИД 24522727 . S2CID 17591196 .
- ^ Хаджибабаи М., Сингер Г.А., Клэр Э.Л., Хеберт П.Д. (июнь 2007 г.). «Разработка и применение массивов ДНК и штрих-кодов ДНК в мониторинге биоразнообразия» . БМК Биология . 5 (1): 24. дои : 10.1186/1741-7007-5-24 . ЧВК 1906742 . ПМИД 17567898 .
- ^ Гардэм С., Хоуз Г.К., Стивенсон С., Харитон А.А. (2014). «Метабаркодирование ДНК встречается с экспериментальной экотоксикологией». Большие данные в экологии . Достижения экологических исследований. Том. 51. С. 79–104. дои : 10.1016/B978-0-08-099970-8.00007-5 . ISBN 978-0-08-099970-8 .
- ^ Крир С., Дайнер К., Фрей С., Поразинска Д., Таберлет П., Томас В.К., Поттер С., Бик Х.М. (сентябрь 2016 г.). «Полевое руководство эколога по последовательной идентификации биоразнообразия» (PDF) . Методы экологии и эволюции . 7 (9): 1008–1018. дои : 10.1111/2041-210X.12574 .
- ^ Бикфорд Д., Ломан DJ, Соди Н.С., Нг ПК, Мейер Р., Винкер К., Ингрэм К.К., Дас I (март 2007 г.). «Загадочные виды как окно в разнообразие и сохранение» (PDF) . Тенденции в экологии и эволюции . 22 (3): 148–55. дои : 10.1016/j.tree.2006.11.004 . ПМИД 17129636 .
- ^ Саес АГ, Лозано Э (январь 2005 г.). «Двойное тело» . Природа . 433 (7022): 111. Бибкод : 2005Natur.433..111S . дои : 10.1038/433111a . ПМИД 15650721 . S2CID 4413395 .
- ^ Кили Н., Вуд С.А., Почон Икс (февраль 2018 г.). «Разработка и предварительная валидация мультитрофического метабаркодирующего биотического индекса для мониторинга обогащения бентоса органическими веществами». Экологические показатели . 85 : 1044–1057. дои : 10.1016/j.ecolind.2017.11.014 .
- ^ Тернбо П.Дж., Хамади М., Яцуненко Т., Кантарел Б.Л., Дункан А., Лей Р.Э., Согин М.Л., Джонс В.Дж., Роу Б.А., Аффуртит Дж.П., Эгхольм М., Хенриссат Б., Хит А.С., Найт Р., Гордон Дж.И. (январь 2009 г.). «Основной микробиом кишечника у тучных и худых близнецов» . Природа . 457 (7228): 480–4. Бибкод : 2009Natur.457..480T . дои : 10.1038/nature07540 . ПМЦ 2677729 . ПМИД 19043404 .
- ^ Яцуненко Т., Рей Ф.Е., Манари М.Дж., Трехан И., Домингес-Белло М.Г., Контрерас М., Магрис М., Идальго Г., Бальдассано Р.Н., Анохин А.П., Хит А.С., Уорнер Б., Ридер Дж., Кучински Дж., Капорасо Дж.Г., Лозупоне К.А., Лаубер С., Клементе Х.К., Найтс Д., Найт Р., Гордон Дж.И. (май 2012 г.). «Микробиом кишечника человека в зависимости от возраста и географического положения» . Природа . 486 (7402): 222–7. Бибкод : 2012Natur.486..222Y . дои : 10.1038/nature11053 . ПМЦ 3376388 . ПМИД 22699611 .
- ^ Васселон В., Римет Ф., Тапольчай К., Буше А. (ноябрь 2017 г.). «Оценка экологического статуса с помощью метабаркодирования ДНК диатомовых водорослей: расширение сети мониторинга WFD (остров Майотта, Франция)». Экологические показатели . 82 : 1–12. дои : 10.1016/j.ecolind.2017.06.024 .
- ^ Го Ю, Хоу Л, Чжан Цз, Чжан Дж, Ченг Дж, Вэй Г, Линь Ю (12 марта 2019 г.). «Микробное разнообразие почвы за 30 лет восстановления пастбищ на Лёссовом плато: тесная связь с разнообразием растений». Деградация земель и развитие . дои : 10.1002/ldr.3300 . S2CID 133936992 .
- ^ Моран С. (апрель 2018 г.). «Достижения и проблемы в области штрих-кодирования микробов, паразитов, их переносчиков и резервуаров» . Паразитология . 145 (5): 537–542. дои : 10.1017/S0031182018000884 . ПМИД 29900810 .
- ^ Росселло-Мора Р. (сентябрь 2005 г.). «Обновление систематики прокариот» . Журнал бактериологии . 187 (18): 6255–7. дои : 10.1128/JB.187.18.6255-6257.2005 . ПМЦ 1236658 . ПМИД 16159756 .
- ^ Эккерт Э.М., Фонтането Д., Кочи М., Кальери К. (декабрь 2014 г.). «Существует ли пробел в штрих-кодировании у прокариот? Данные о разграничении видов у цианобактерий» . Жизнь . 5 (1): 50–64. дои : 10.3390/life5010050 . ПМК 4390840 . ПМИД 25561355 .
- ^ Раппе М.С., Сузуки М.Т., Вергин К.Л., Джованнони С.Дж. (январь 1998 г.). «Филогенетическое разнообразие генов малых субъединиц рРНК пластид ультрапланктона, обнаруженных в образцах нуклеиновых кислот окружающей среды с тихоокеанского и атлантического побережий США» . Прикладная и экологическая микробиология . 64 (1): 294–303. Бибкод : 1998ApEnM..64..294R . дои : 10.1128/АЕМ.64.1.294-303.1998 . ПМК 124708 . ПМИД 9435081 .
- ^ Ван дер Гухт К., Вандекеркхове Т., Вломанс Н., Кузен С., Мюилаерт К., Саббе К., Гиллис М., Деклерк С., Де Мистер Л., Виверман В. (июль 2005 г.). «Характеристика бактериальных сообществ в четырех пресноводных озерах, различающихся по питательной нагрузке и структуре пищевой сети». ФЭМС Микробиология Экология . 53 (2): 205–20. дои : 10.1016/j.femsec.2004.12.006 . ПМИД 16329941 .
- ^ Jump up to: а б Нюбель У, Гарсиа-Пишель Ф, Мюзер Г (август 1997 г.). «Праймеры для ПЦР для амплификации генов 16S рРНК цианобактерий» . Прикладная и экологическая микробиология . 63 (8): 3327–32. Бибкод : 1997ApEnM..63.3327N . дои : 10.1128/АЕМ.63.8.3327-3332.1997 . ПМК 168636 . ПМИД 9251225 .
- ^ Jump up to: а б Стиллер Дж.В., МакКланахан А.Н. (март 2005 г.). «Фитоспецифические праймеры для ПЦР 16S рДНК для восстановления последовательностей водорослей и растений из смешанных образцов». Заметки по молекулярной экологии . 5 (1): 1–3. дои : 10.1111/j.1471-8286.2004.00805.x .
- ^ Бетурне С., Марш А.С., Донелло Н., Стиллер Дж.В. (июнь 2007 г.). «Селективное восстановление микроводорослей из различных сред обитания с использованием« фитоспецифичных »праймеров 16S рДНК». Журнал психологии . 43 (3): 609–613. дои : 10.1111/j.1529-8817.2007.00350.x . S2CID 84399666 .
- ^ Бутт С., Грубишич С., Бальтасарт П., Уилмотт А. (июнь 2006 г.). «Тестирование праймеров для изучения молекулярного разнообразия цианобактерий методом DGGE» . Журнал микробиологических методов . 65 (3): 542–50. дои : 10.1016/j.mimet.2005.09.017 . ПМИД 16290299 .
- ^ Jump up to: а б Лопес-Легентиль С., Сонг Б., Бош М., Павлик-младший, Турон Икс (22 августа 2011 г.). «Цианобактериальное разнообразие и новый акариохлорисподобный симбионт багамских асцидий» . ПЛОС ОДИН . 6 (8): e23938. Бибкод : 2011PLoSO...623938L . дои : 10.1371/journal.pone.0023938 . ПМК 3161822 . ПМИД 21915246 .
- ^ Jump up to: а б Ютершек М, Клеменчич М, Долинар М (декабрь 2017 г.). «Дискриминация между членами Synechocystis (цианобактериями) на основе гетерогенности их 16S рРНК и областей ITS» . Акта Химика Словеница . 64 (4): 804–817. дои : 10.17344/acsi.2017.3262 . ПМИД 29318299 .
- ^ Со П.С., Ёкота А. (июнь 2003 г.). «Филогенетические взаимоотношения цианобактерий, выведенные на основе последовательностей генов 16S рРНК, gyrB, rpoC1 и rpoD1» . Журнал общей и прикладной микробиологии . 49 (3): 191–203. дои : 10.2323/jgam.49.191 . ПМИД 12949700 .
- ^ Томитани А., Нолл А.Х., Кавано С.М., Оно Т. (апрель 2006 г.). «Эволюционное разнообразие цианобактерий: молекулярно-филогенетические и палеонтологические перспективы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (14): 5442–7. Бибкод : 2006PNAS..103.5442T . дои : 10.1073/pnas.0600999103 . ПМЦ 1459374 . ПМИД 16569695 .
- ^ Гесс В.Р., Вейхе А., Луазо-де Гёр С., Партенский Ф., Воло Д. (март 1995 г.). «Характеристика единственного гена psbA Prochromococcus marinus CCMP 1375 (Prochromophyta)». Молекулярная биология растений . 27 (6): 1189–96. дои : 10.1007/BF00020892 . PMID 7766900 . S2CID 26973191 .
- ^ Морден CW, Golden SS (январь 1989 г.). «Гены psbA указывают на общее происхождение прохлорофитов и хлоропластов». Природа . 337 (6205): 382–5. Бибкод : 1989Natur.337..382M . дои : 10.1038/337382a0 . ПМИД 2643058 . S2CID 4275907 .
- ^ Виоке А (сентябрь 1997 г.). «РНКаза P РНК из цианобактерий: короткие тандемно повторяющиеся повторяющиеся последовательности (STRR) присутствуют в гене РНКазы P в гетероцистообразующих цианобактериях» . Исследования нуклеиновых кислот . 25 (17): 3471–7. дои : 10.1093/нар/25.17.3471 . ПМК 146911 . ПМИД 9254706 .
- ^ Зер Дж.П., Меллон М.Т., Хиорнс В.Д. (апрель 1997 г.). «Филогения генов nifH цианобактерий: эволюционные последствия и потенциальное применение к природным комплексам» . Микробиология . 143 (Часть 4) (4): 1443–50. дои : 10.1099/00221287-143-4-1443 . ПМИД 9141707 .
- ^ Хенсон Б.Дж., Хессельброк С.М., Уотсон Л.Е., Барнум С.Р. (март 2004 г.). «Молекулярная филогения гетероцистных цианобактерий (подразделы IV и V) на основе nifD» . Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 54 (Часть 2): 493–7. дои : 10.1099/ijs.0.02821-0 . ПМИД 15023966 .
- ^ Jump up to: а б Пиччин-Сантос В., Брандао М.М., Биттенкур-Оливейра М. (август 2014 г.). Габриэльсон П. (ред.). «Филогенетическое исследование Geitlerinema и Microcystis (Cyanobacteria) с использованием PC-IGS и 16S-23S ITS в качестве маркеров: исследование горизонтального переноса генов». Журнал психологии . 50 (4): 736–43. дои : 10.1111/jpy.12204 . ПМИД 26988457 . S2CID 37954121 .
- ^ Дадхич П.К., Глекнер Г., Каспер П., Котут К., Маццони С.Дж., Мбеди С., Криниц Л. (август 2013 г.). «Цианобактериальное разнообразие в горячих источниках, пелагических и донных средах обитания тропического содового озера» . ФЭМС Микробиология Экология . 85 (2): 389–401. дои : 10.1111/1574-6941.12128 . ПМИД 23586739 .
- ^ Куробе Т., Бакса Д.В., Миони CE, Кудела Р.М., Смайт Т.Р., Уоллер С., Чепмен А.Д., Тех С.Дж. (2013). «Идентификация вредных цианобактерий в дельте Сакраменто-Сан-Хоакин и Клир-Лейк, Калифорния, с помощью штрих-кодирования ДНК» . СпрингерПлюс . 2 (1): 491. дои : 10.1186/2193-1801-2-491 . ПМЦ 3797325 . ПМИД 24133644 .
- ^ Гуггер М., Лира С., Хенриксен П., Куте А., Умберт Дж. Ф., Сивонен К. (сентябрь 2002 г.). «Филогенетическое сравнение цианобактерий родов Anabaena и Aphanizomenon» . Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 52 (Часть 5): 1867–80. дои : 10.1099/00207713-52-5-1867 . ПМИД 12361299 .
- ^ «ОБЪЕДИНЯЙТЕСЬ» . unite.ut.ee . Проверено 28 марта 2019 г.
- ^ Гийу Л., Бачар Д., Аудик С., Басс Д., Берни С., Биттнер Л. и др. (январь 2013 г.). «Справочная база данных протистов по рибосомам (PR2): каталог последовательностей рРНК малых субъединиц одноклеточных эукариот с тщательно подобранной таксономией» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (Проблема с базой данных): D597–604. дои : 10.1093/нар/gks1160 . ПМК 3531120 . ПМИД 23193267 .