Кластер метаболических генов

Кластеры метаболических генов или кластеры биосинтетических генов представляют собой тесно связанные наборы в основном негомологичных генов , участвующих в общем дискретном метаболическом пути . Гены находятся в физической близости друг к другу в геноме , и их экспрессия часто регулируется. ^[1]^[2]^[3] Кластеры метаболических генов являются общими чертами бактериальных ^[4] и самый грибковый ^[5] геномы. Они реже встречаются в других ^[6] организмы. Они наиболее широко известны производством вторичных метаболитов , источником или основой большинства фармацевтических соединений, природных токсинов , химической связи и химической войны между организмами. Кластеры метаболических генов также участвуют в приобретении питательных веществ, деградации токсинов, ^[7] устойчивость к противомикробным препаратам и биосинтез витаминов. ^[5] Учитывая все эти свойства кластеров метаболических генов, они играют ключевую роль в формировании микробных экосистем, включая взаимодействие микробиома и хозяина. несколько инструментов вычислительной геномики Таким образом, было разработано для прогнозирования кластеров метаболических генов.

Базы данных

МИБиГ, БиГ-ФАМ

Биоинформатические инструменты

Инструменты, основанные на правилах

Были разработаны биоинформационные инструменты для прогнозирования и определения численности и экспрессии этого типа кластера генов в образцах микробиома на основе метагеномных данных. ^[8] Поскольку размер метагеномных данных значителен, их фильтрация и кластеризация являются важными частями этих инструментов. Эти процессы могут состоять из методов уменьшения размерности, таких как Minhash , ^[9] и алгоритмы кластеризации, такие как k-medoids и распространение сродства . Также для их сравнения было разработано несколько показателей и сходств.

Геномный анализ биосинтетических генных кластеров (BGC) стал неотъемлемой частью открытия природных продуктов. Более 200 000 микробных геномов, которые сейчас общедоступны, содержат информацию о большом количестве новых химических веществ. Один из способов ориентироваться в этом огромном геномном разнообразии — сравнительный анализ гомологичных BGC, который позволяет выявить межвидовые закономерности, которые можно сопоставить с наличием метаболитов или биологической активности. Однако нынешним инструментам препятствует узкое место, вызванное дорогостоящим сетевым подходом, используемым для группировки этих BGC в семейства кластеров генов (GCF). BiG-SLiCE (Механизм суперлинейной кластеризации биосинтетических генов), инструмент, предназначенный для кластеризации огромного количества BGC. Представляя их в евклидовом пространстве, BiG-SLiCE может группировать BGC в GCF непарным, почти линейным образом.

Сатрия и др., 2021 г. ^[10] BiG-SLiCE демонстрирует полезность такого анализа путем реконструкции глобальной карты вторичного метаболического разнообразия по всей таксономии для выявления неизведанного биосинтетического потенциала, открывает новые возможности для ускорения открытия натуральных продуктов и предлагает первый шаг к построению глобальной и доступной для поиска взаимосвязанной сети БГК. Поскольку больше геномов секвенировано из недостаточно изученных таксонов, можно получить больше информации, чтобы подчеркнуть их потенциально новый химический состав. ^[10]

инструменты, основанные на машинном обучении

Эволюция

Происхождение и эволюция кластеров метаболических генов обсуждаются с 1990-х годов. ^[11]^[12] С тех пор было продемонстрировано, что кластеры метаболических генов могут возникать в геноме в результате перестройки генома, дупликации генов или горизонтального переноса генов . ^[13] и некоторые метаболические кластеры эволюционировали конвергентно у нескольких видов. ^[14] Горизонтальный перенос кластеров генов связан с экологическими нишами, в которых, как считается, закодированные пути приносят пользу. ^[15] Утверждалось, что кластеризация генов экологических функций является результатом репродуктивных тенденций среди организмов и способствует ускорению адаптации за счет повышения детализации сложных функций в пангеноме популяции. ^[16]

Ссылки

^ Шлепфер П., Чжан П., Ван С., Ким Т., Банф М., Че Л. и др. (апрель 2017 г.). «Полногеномное предсказание метаболических ферментов, путей и кластеров генов в растениях» . Физиология растений . 173 (4): 2041–2059. дои : 10.1104/стр.16.01942 . ПМК 5373064 . ПМИД 28228535 .
^ Миллер Б.Л., Миллер К.Ю., Роберти К.А., Тимберлейк М.Е. (январь 1987 г.). «Позиционно-зависимые и -независимые механизмы регулируют клеточно-специфическую экспрессию кластера генов SpoC1 Aspergillus nidulans» . Молекулярная и клеточная биология . 7 (1): 427–34. дои : 10.1128/MCB.7.1.427 . ПМК 365085 . ПМИД 3550422 .
^ Банф М., Чжао К., Ри С.Ю. (сентябрь 2019 г.). «METACLUSTER - пакет R для контекстно-зависимого анализа экспрессии кластеров метаболических генов» . Биоинформатика . 35 (17): 3178–3180. doi : 10.1093/биоинформатика/btz021 . ПМЦ 6735823 . ПМИД 30657869 .
^ Чимерманчик П., Медема М.Х., Клаесен Дж., Курита К., Виланд Браун Л.С., Мавромматис К. и др. (июль 2014 г.). «Понимание вторичного метаболизма на основе глобального анализа кластеров биосинтетических генов прокариот» . Клетка . 158 (2): 412–421. дои : 10.1016/j.cell.2014.06.034 . ПМК 4123684 . ПМИД 25036635 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Слот JC (2017). «Разнообразие и эволюция кластера генов грибов». Филогенетика и филогеномика грибов . Достижения генетики. Том. 100. стр. 141–178. дои : 10.1016/bs.adgen.2017.09.005 . ISBN 978-0-12-813261-6 . ПМИД 29153399 .
^ Wisecaver JH, Боровски А.Т., Цин В., Джандер Г., Клибенштайн DJ, Рокас А. (май 2017 г.). «Подход глобальной сети коэкспрессии для подключения генов к специализированным метаболическим путям в растениях» . Растительная клетка . 29 (5): 944–959. дои : 10.1105/tpc.17.00009 . ПМК 5466033 . ПМИД 28408660 .
^ Глюк-Талер Э, Слот JC (июнь 2018 г.). «Специализированная биохимия растений стимулирует кластеризацию генов у грибов» . Журнал ISME . 12 (7): 1694–1705. Бибкод : 2018ISMEJ..12.1694G . дои : 10.1038/s41396-018-0075-3 . ПМК 6018750 . ПМИД 29463891 .
^ Паскаль-Андре В., Аугустейн Х., ван ден Берг К., ван дер Хофт Дж., Фишбах М., Медема М. (2020). «BiG-MAP: автоматизированный конвейер для профилирования численности и экспрессии метаболических кластеров генов в микробиомах» (PDF) . биоRxiv . 6 (5): e00937-21. дои : 10.1101/2020.12.14.422671 . ПМЦ 8547482 . ПМИД 34581602 .
^ Ондов Б., Треанген Т., Мелстед П., Маллони А., Бергман Н., Корен С. и др. (2016). «Mash: быстрая оценка расстояния до генома и метагенома с использованием MinHash» . Геномная биология . 17 (32): 14. дои : 10.1186/s13059-016-0997-x . ПМЦ 4915045 . ПМИД 27323842 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Каутсар С.А., ван дер Хоофт Дж.Дж., де Риддер Д., Медема М.Х. (13 января 2021 г.). «BiG-SLiCE: масштабируемый инструмент отображает разнообразие 1,2 миллиона кластеров биосинтетических генов» . ГигаСайенс . 10 (1): giaa154. doi : 10.1093/gigascience/giaa154 . ПМЦ 7804863 . ПМИД 33438731 .
^ Лоуренс Дж. Дж., Рот-младший (1 августа 1996 г.). «Эгоистичные опероны: горизонтальный перенос может стимулировать эволюцию кластеров генов» . Генетика . 143 (4): 1843–1860. дои : 10.1093/генетика/143.4.1843 . ISSN 0016-6731 . ПМК 1207444 . ПМИД 8844169 .
^ Пал С., Херст Л.Д. (1 июня 2004 г.). «Доказательства против теории эгоистичного оперона» . Тенденции в генетике . 20 (6): 232–234. дои : 10.1016/j.tig.2004.04.001 . ПМИД 15145575 .
^ Рейнольдс Х.Т., Виджаякумар В., Глюк-Талер Э., Короткин Х.Б., Матени П.Б., Слот Дж.К. (2018). «Горизонтальный перенос кластера генов увеличил разнообразие галлюциногенных грибов» . Письма об эволюции . 2 (2): 88–101. дои : 10.1002/evl3.42 . ISSN 2056-3744 . ПМК 6121855 . ПМИД 30283667 .
^ Слот Джей Си, Рокас А (01 июня 2010 г.). «Множественные кластеры генов пути GAL развивались у грибов независимо и по разным механизмам» . Труды Национальной академии наук . 107 (22): 10136–10141. Бибкод : 2010PNAS..10710136S . дои : 10.1073/pnas.0914418107 . ПМК 2890473 . ПМИД 20479238 .
^ Грин Г.Х., МакГэри К.Л., Рокас А., Слот Дж.К. (январь 2014 г.). «Экология стимулирует распространение специализированных модулей метаболизма тирозина в грибах» . Геномная биология и эволюция . 6 (1): 121–132. дои : 10.1093/gbe/evt208 . ISSN 1759-6653 . ПМЦ 3914699 . ПМИД 24391152 .
^ Слот JC, Глюк-Талер E (01.10.2019). «Метаболические кластеры генов, разнообразие грибов и создание дополнительных функций» . Текущее мнение в области генетики и развития . 58–59: 17–24. дои : 10.1016/j.где.2019.07.006 . ISSN 0959-437X . ПМИД 31466036 . S2CID 201674539 .

[1] Шлепфер П., Чжан П., Ван С., Ким Т., Банф М., Че Л. и др. (апрель 2017 г.). «Полногеномное предсказание метаболических ферментов, путей и кластеров генов в растениях» . Физиология растений . 173 (4): 2041–2059. дои : 10.1104/стр.16.01942 . ПМК 5373064 . ПМИД 28228535 .

[2] Миллер Б.Л., Миллер К.Ю., Роберти К.А., Тимберлейк М.Е. (январь 1987 г.). «Позиционно-зависимые и -независимые механизмы регулируют клеточно-специфическую экспрессию кластера генов SpoC1 Aspergillus nidulans» . Молекулярная и клеточная биология . 7 (1): 427–34. дои : 10.1128/MCB.7.1.427 . ПМК 365085 . ПМИД 3550422 .

[3] Банф М., Чжао К., Ри С.Ю. (сентябрь 2019 г.). «METACLUSTER - пакет R для контекстно-зависимого анализа экспрессии кластеров метаболических генов» . Биоинформатика . 35 (17): 3178–3180. doi : 10.1093/биоинформатика/btz021 . ПМЦ 6735823 . ПМИД 30657869 .

[4] Чимерманчик П., Медема М.Х., Клаесен Дж., Курита К., Виланд Браун Л.С., Мавромматис К. и др. (июль 2014 г.). «Понимание вторичного метаболизма на основе глобального анализа кластеров биосинтетических генов прокариот» . Клетка . 158 (2): 412–421. дои : 10.1016/j.cell.2014.06.034 . ПМК 4123684 . ПМИД 25036635 .

[:0-5] Перейти обратно: ^а ^б Слот JC (2017). «Разнообразие и эволюция кластера генов грибов». Филогенетика и филогеномика грибов . Достижения генетики. Том. 100. стр. 141–178. дои : 10.1016/bs.adgen.2017.09.005 . ISBN 978-0-12-813261-6 . ПМИД 29153399 .

[6] Wisecaver JH, Боровски А.Т., Цин В., Джандер Г., Клибенштайн DJ, Рокас А. (май 2017 г.). «Подход глобальной сети коэкспрессии для подключения генов к специализированным метаболическим путям в растениях» . Растительная клетка . 29 (5): 944–959. дои : 10.1105/tpc.17.00009 . ПМК 5466033 . ПМИД 28408660 .

[7] Глюк-Талер Э, Слот JC (июнь 2018 г.). «Специализированная биохимия растений стимулирует кластеризацию генов у грибов» . Журнал ISME . 12 (7): 1694–1705. Бибкод : 2018ISMEJ..12.1694G . дои : 10.1038/s41396-018-0075-3 . ПМК 6018750 . ПМИД 29463891 .

[8] Паскаль-Андре В., Аугустейн Х., ван ден Берг К., ван дер Хофт Дж., Фишбах М., Медема М. (2020). «BiG-MAP: автоматизированный конвейер для профилирования численности и экспрессии метаболических кластеров генов в микробиомах» (PDF) . биоRxiv . 6 (5): e00937-21. дои : 10.1101/2020.12.14.422671 . ПМЦ 8547482 . ПМИД 34581602 .

[9] Ондов Б., Треанген Т., Мелстед П., Маллони А., Бергман Н., Корен С. и др. (2016). «Mash: быстрая оценка расстояния до генома и метагенома с использованием MinHash» . Геномная биология . 17 (32): 14. дои : 10.1186/s13059-016-0997-x . ПМЦ 4915045 . ПМИД 27323842 .

[BiG-SLiCE:_A_highly_scalable_tool_m-10] Перейти обратно: ^а ^б Каутсар С.А., ван дер Хоофт Дж.Дж., де Риддер Д., Медема М.Х. (13 января 2021 г.). «BiG-SLiCE: масштабируемый инструмент отображает разнообразие 1,2 миллиона кластеров биосинтетических генов» . ГигаСайенс . 10 (1): giaa154. doi : 10.1093/gigascience/giaa154 . ПМЦ 7804863 . ПМИД 33438731 .

[11] Лоуренс Дж. Дж., Рот-младший (1 августа 1996 г.). «Эгоистичные опероны: горизонтальный перенос может стимулировать эволюцию кластеров генов» . Генетика . 143 (4): 1843–1860. дои : 10.1093/генетика/143.4.1843 . ISSN 0016-6731 . ПМК 1207444 . ПМИД 8844169 .

[12] Пал С., Херст Л.Д. (1 июня 2004 г.). «Доказательства против теории эгоистичного оперона» . Тенденции в генетике . 20 (6): 232–234. дои : 10.1016/j.tig.2004.04.001 . ПМИД 15145575 .

[13] Рейнольдс Х.Т., Виджаякумар В., Глюк-Талер Э., Короткин Х.Б., Матени П.Б., Слот Дж.К. (2018). «Горизонтальный перенос кластера генов увеличил разнообразие галлюциногенных грибов» . Письма об эволюции . 2 (2): 88–101. дои : 10.1002/evl3.42 . ISSN 2056-3744 . ПМК 6121855 . ПМИД 30283667 .

[14] Слот Джей Си, Рокас А (01 июня 2010 г.). «Множественные кластеры генов пути GAL развивались у грибов независимо и по разным механизмам» . Труды Национальной академии наук . 107 (22): 10136–10141. Бибкод : 2010PNAS..10710136S . дои : 10.1073/pnas.0914418107 . ПМК 2890473 . ПМИД 20479238 .

[15] Грин Г.Х., МакГэри К.Л., Рокас А., Слот Дж.К. (январь 2014 г.). «Экология стимулирует распространение специализированных модулей метаболизма тирозина в грибах» . Геномная биология и эволюция . 6 (1): 121–132. дои : 10.1093/gbe/evt208 . ISSN 1759-6653 . ПМЦ 3914699 . ПМИД 24391152 .

[16] Слот JC, Глюк-Талер E (01.10.2019). «Метаболические кластеры генов, разнообразие грибов и создание дополнительных функций» . Текущее мнение в области генетики и развития . 58–59: 17–24. дои : 10.1016/j.где.2019.07.006 . ISSN 0959-437X . ПМИД 31466036 . S2CID 201674539 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]