Микробная филогенетика
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]
История
[ редактировать ]1960–1970-е годы
[ редактировать ]Микробная филогенетика возникла как область исследований в 1960-х годах, ученые начали создавать генеалогические деревья, на различиях в порядке аминокислот белков основанные 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]
1980–1990-е годы
[ редактировать ]В 1980-х годах микробная филогенетика вступила в свой золотой век, поскольку методы секвенирования РНК и ДНК значительно улучшились. [7] [8] Например, сравнение нуклеотидных последовательностей целых генов облегчилось 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 эукариев, что, возможно, является одним из ключевых отрывков в истории 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 полностью оценить, что бактерии не только обладают самым большим разнообразием, но и составляют самую большую 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]
2000-е
[ редактировать ]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 были настолько разными, 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]
Филогенетическое представление
[ редактировать ]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]
Методы микробного филогенетического анализа
[ редактировать ]Большинство микробных таксонов никогда не культивировались и не характеризовались экспериментально. Использование таксономии и филогении являются важными инструментами 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] малых субъединиц (SSU) РРНК (SSU рРНК) произвела революцию в классификации микробов 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
[ редактировать ]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]
Реконструкция родового государства
[ редактировать ]Этот метод обычно используется для оценки генетических и метаболических профилей существующих сообществ с использованием набора эталонных геномов, обычно выполняемых 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]
Анализ филогенетических переменных и расстояний
[ редактировать ]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]
Проблемы
[ редактировать ]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 друг с другом из-за горизонтального переноса генов, в результате чего таксономический состав мало что дает о функции системы. [29]
См. также
[ редактировать ]- Сравнительная геномика
- Филогеномика
- Типирование мультилокусной последовательности
- Бактериальная систематика
- Вычислительная филогенетика
- История молекулярной эволюции
- Молекулярная филогенетика
- Филогенетика
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Орен, А (2010). Папке, RT (ред.). Молекулярная филогения микроорганизмов . Кайстер Академик Пресс . ISBN 978-1-904455-67-7 .
- ^ Блюм, П., изд. (2010). Археи: новые модели биологии прокариот . Кайстер Академик Пресс . ISBN 978-1-904455-27-1 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Сапп, Дж. (2007). «Структура микробной эволюционной теории». Стад. Хист. Фил. Биол. и Биомед. Наука . 38 (4): 780–795. дои : 10.1016/j.shpsc.2007.09.011 . ПМИД 18053933 .
- ^ Дитрих, М. (1998). «Парадокс и убеждение: обсуждение места молекулярной эволюции в эволюционной биологии». Журнал истории биологии . 31 (1): 85–111. дои : 10.1023/А:1004257523100 . ПМИД 11619919 . S2CID 29935487 .
- ^ Дитрих, М. (1994). «Истоки нейтральной теории молекулярной эволюции». Журнал истории биологии . 27 (1): 21–59. дои : 10.1007/BF01058626 . ПМИД 11639258 . S2CID 367102 .
- ^ Вёзе, ЧР; Фокс, GE (1977). «Филогенетическая структура домена прокариот: первичные царства» . Труды Национальной академии наук . 75 (11): 5088–5090. Бибкод : 1977PNAS...74.5088W . дои : 10.1073/pnas.74.11.5088 . ПМК 432104 . ПМИД 270744 .
- ^ Сэнгер, Ф.; Никлен, С.; Коулсон, Арканзас (1977). «Секвенирование ДНК с ингибиторами обрыва цепи» . Труды Национальной академии наук . 74 (12): 5463–5467. Бибкод : 1977PNAS...74.5463S . дои : 10.1073/pnas.74.12.5463 . ПМК 431765 . ПМИД 271968 .
- ^ Максам, AM (1977). «Новый метод секвенирования ДНК» . Труды Национальной академии наук . 74 (2): 560–564. Бибкод : 1977ПНАС...74..560М . дои : 10.1073/pnas.74.2.560 . ПМК 392330 . ПМИД 265521 .
- ^ Муллис, К.Ф.; и др. (1986). «Специфическая ферментативная амплификация ДНК in vitro: полимеразная цепная реакция». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 51 : 263–273. дои : 10.1101/SQB.1986.051.01.032 . ПМИД 3472723 . S2CID 26180176 .
- ^ Муллис, КБ; Фалуна, ФА (1989). Методика рекомбинантной ДНК . Академическая пресса. стр. 189–204. ISBN 978-0-12-765560-4 .
- ^ Вёзе, ЧР; и др. (1990). «На пути к естественной системе организмов: предложение по доменам архей, бактерий и эукариев» . Труды Национальной академии наук . 87 (12): 4576–4579. Бибкод : 1990PNAS...87.4576W . дои : 10.1073/pnas.87.12.4576 . ПМК 54159 . ПМИД 2112744 .
- ^ Пейс, Н. (1997). «Молекулярный взгляд на микробное разнообразие и биосферу». Наука . 276 (5313): 734–740. дои : 10.1126/science.276.5313.734 . ПМИД 9115194 .
- ^ Пейс, Северная Каролина; и др. (1985). «Анализ природных микробных популяций по последовательностям рРНК». Новости Американского общества микробиологии . 51 : 4–12.
- ^ Уитмен, В.Б.; и др. (1998). «Прокариоты: невидимое большинство» . Труды Национальной академии наук . 95 (12): 6578–6583. Бибкод : 1998PNAS...95.6578W . дои : 10.1073/pnas.95.12.6578 . ПМК 33863 . ПМИД 9618454 .
- ^ Делюск, Ф.; Бринкманн, Х.; Филипп, Х. (2005). «Филогеномика и реконструкция древа жизни» (PDF) . Обзоры природы Генетика . 6 (5): 361–375. дои : 10.1038/nrg1603 . ПМИД 15861208 . S2CID 16379422 .
- ^ Дулитл, WF (1999). «Филогенетическая классификация и универсальное дерево». Наука . 284 (5423): 2124–2128. дои : 10.1126/science.284.5423.2124 . ПМИД 10381871 .
- ^ Бушман, Ф. (2002). Латеральный перенос ДНК: механизмы и последствия . Нью-Йорк: Лабораторное издательство Колд-Спринг-Харбор. ISBN 0879696036 .
- ^ Андам, Шерил П.; Уильямс, Дэвид; Гогартен, Дж. Питер (8 июня 2010 г.). «Предвзятый перенос генов имитирует закономерности, созданные в результате общего происхождения» . Труды Национальной академии наук . 107 (23): 10679–10684. дои : 10.1073/pnas.1001418107 . ISSN 0027-8424 . ПМК 2890805 . ПМИД 20495090 .
- ^ Охман, Х.; Лоуренс, JG; Гройсман, Э.А. (2000). «Боковой перенос генов и природа бактериальных инноваций». Природа . 405 (6784): 299–304. Бибкод : 2000Natur.405..299O . дои : 10.1038/35012500 . ПМИД 10830951 . S2CID 85739173 .
- ^ Эйзен, Дж. (2000). «Горизонтальный перенос генов между микробными геномами: новые результаты полного анализа генома» . Текущее мнение в области генетики и развития . 10 (6): 606–611. дои : 10.1016/S0959-437X(00)00143-X . ПМИД 11088009 .
- ^ Кунин В.; Голдовский Л.; Дарзентас, Н.; Узунис, Калифорния (2005). «Сеть жизни: Реконструкция микробной филогенетической сети» . Геномные исследования . 15 (7): 954–959. дои : 10.1101/гр.3666505 . ПМЦ 1172039 . ПМИД 15965028 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Уошберн, Алекс Д.; Мортон, Джеймс Т.; Сандерс, Джон; Макдональд, Дэниел; Чжу, Циюнь; Оливерио, Анджела М.; Найт, Роб (24 мая 2018 г.). «Методы филогенетического анализа данных микробиома» . Природная микробиология . 3 (6): 652–661. дои : 10.1038/s41564-018-0156-0 . ISSN 2058-5276 . ПМИД 29795540 . S2CID 43962376 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Ву, Мартин; Эйзен, Джонатан А. (2008). «Простой, быстрый и точный метод филогеномного вывода» . Геномная биология . 9 (10): 151 рэнд. дои : 10.1186/gb-2008-9-10-r151 . ISSN 1465-6906 . ПМЦ 2760878 . ПМИД 18851752 .
- ^ Хиллис, Дэвид М.; Диксон, Майкл Т. (1991). «Рибосомальная ДНК: молекулярная эволюция и филогенетический вывод» . Ежеквартальный обзор биологии . 66 (4): 411–453. дои : 10.1086/417338 . ISSN 0033-5770 . ПМИД 1784710 . S2CID 32027097 .
- ^ Брэдли, Патрик Х.; Найфач, Стивен; Поллард, Кэтрин С. (9 августа 2018 г.). «Скорректированная на филогению идентификация семейств микробных генов, имеющих отношение к колонизации кишечника человека» . PLOS Вычислительная биология . 14 (8): e1006242. дои : 10.1371/journal.pcbi.1006242 . ISSN 1553-7358 . ПМК 6084841 . ПМИД 30091981 .
- ^ Ланжилль, Морган Джи; Заневельд, Джесси; Капорасо, Дж. Грегори; Макдональд, Дэниел; Найтс, Дэн; Рейес, Джошуа А; Клементе, Хосе С; Беркепайл, Дерон Э; Вега Тербер, Ребекка Л; Найт, Роб; Бейко, Роберт Дж; Хаттенхауэр, Кертис (2013). «Прогнозирующее функциональное профилирование микробных сообществ с использованием последовательностей маркерного гена 16S рРНК» . Природная биотехнология . 31 (9): 814–821. дои : 10.1038/nbt.2676 . ISSN 1087-0156 . ПМЦ 3819121 . ПМИД 23975157 .
- ^ Сильверман, Джастин Д; Уошберн, Алекс Д; Мукерджи, Саяны; Дэвид, Лоуренс А. (15 февраля 2017 г.). «Филогенетическая трансформация улучшает анализ данных о композиционной микробиоте» . электронная жизнь . 6 . doi : 10.7554/eLife.21887 . ISSN 2050-084X . ПМЦ 5328592 . ПМИД 28198697 .
- ^ Уошберн, Алекс Д.; Сильверман, Джастин Д.; Лефф, Джонатан В.; Беннетт, Доминик Дж.; Дарси, Джон Л.; Мукерджи, Саяны; Фирер, Ной; Дэвид, Лоуренс А. (9 февраля 2017 г.). «Филогенетическая факторизация композиционных данных дает ассоциации на уровне линии в наборах данных микробиома» . ПерДж . 5 : е2969. дои : 10.7717/peerj.2969 . ISSN 2167-8359 . ПМЦ 5345826 . ПМИД 28289558 .
- ^ Мартини, Дженнифер Б.Х.; Джонс, Стюарт Э.; Леннон, Джей Т.; Мартини, Адам К. (06 ноября 2015 г.). «Микробиомы в свете особенностей: филогенетическая перспектива» . Наука . 350 (6261). дои : 10.1126/science.aac9323 . ISSN 0036-8075 .
