Бактериальная филодинамика

Бактериальная филодинамика — это исследование иммунологии , эпидемиологии и филогенетики бактериальных патогенов, позволяющее лучше понять эволюционную роль этих патогенов. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Филодинамический анализ включает анализ генетического разнообразия , естественного отбора и популяционной динамики филогений возбудителей инфекционных заболеваний во время пандемий, а также изучение эволюции вирусов внутри хозяина. ^{[ 4 ]} Филодинамика сочетает в себе изучение филогенетического анализа , экологических и эволюционных процессов, чтобы лучше понять механизмы, которые определяют пространственно-временную заболеваемость и филогенетические закономерности бактериальных патогенов. ^{[ 2 ]}^{[ 4 ]} Бактериальная филодинамика использует геному (SNP) по всему однонуклеотидные полиморфизмы , чтобы лучше понять механизм эволюции бактериальных патогенов. ^{[ 5 ]} Многие филодинамические исследования были проведены на вирусах, особенно на РНК-вирусах (см. Вирусная филодинамика ), которые имеют высокую частоту мутаций. Область бактериальной филодинамики существенно расширилась благодаря развитию секвенирования нового поколения и количеству доступных данных.

Методы

Новая гипотеза (план исследования)

Исследования могут быть разработаны для наблюдения за взаимодействиями внутри хоста или между хостами. Бактериальные филодинамические исследования обычно фокусируются на взаимодействии между хозяевами с образцами от многих разных хозяев в определенном географическом месте или нескольких разных географических местах. ^{[ 4 ]} Наиболее важной частью плана исследования является организация стратегии выборки. ^{[ 4 ]} Например, количество моментов времени выборки, интервал выборки и количество последовательностей на момент времени имеют решающее значение для филодинамического анализа. ^{[ 4 ]} Смещение выборки вызывает проблемы при рассмотрении разнообразных таксологических выборок. ^{[ 3 ]} Например, отбор проб из ограниченного географического местоположения может повлиять на эффективный размер популяции. ^{[ 6 ]}

Генерация данных

Экспериментальные настройки

Секвенирование генома или геномных областей и выбор метода секвенирования является важной экспериментальной установкой для филодинамического анализа. Полногеномное секвенирование часто выполняется на бактериальных геномах, хотя в зависимости от плана исследования для филодинамического анализа можно использовать множество различных методов. Бактериальные геномы намного больше и имеют более медленную скорость эволюции, чем РНК-вирусы, что ограничивает исследования бактериальной филодинамики. Развитие технологии секвенирования сделало возможной бактериальную филодинамику, но необходима правильная подготовка целых бактериальных геномов.

Выравнивание

Когда получен новый набор данных с образцами для филодинамического анализа, последовательности в новом наборе данных выравниваются. ^{[ 4 ]} Поиск BLAST часто выполняется для обнаружения сходных штаммов интересующего патогена. Последовательности, собранные из BLAST для выравнивания, потребуют добавления в набор данных соответствующей информации, такой как дата сбора образца и географическое местоположение образца. Множественные алгоритмы выравнивания последовательностей (например, MUSCLE, ^{[ 7 ]} МАФФТ , ^{[ 8 ]} и КЛУСАЛЬ W ^{[ 9 ]}) выровняет набор данных со всеми выбранными последовательностями. После запуска алгоритма выравнивания множественных последовательностей настоятельно рекомендуется редактировать выравнивание вручную. ^{[ 4 ]} Множественные алгоритмы выравнивания последовательностей могут оставить большое количество вставок в выравнивании последовательности, когда вставок не существует. ^{[ 4 ]} Редактирование делений в наборе данных вручную позволит построить более точное филогенетическое дерево. ^{[ 4 ]}

Контроль качества

Для проведения точного филодинамического анализа необходимо использовать методы контроля качества. Это включает проверку образцов в наборе данных на предмет возможного загрязнения, измерение филогенетического сигнала последовательностей и проверку последовательностей на возможные признаки рекомбинантных штаммов. ^{[ 4 ]} Загрязнение образцов в наборе данных можно исключить с помощью различных лабораторных методов и соответствующих методов экстракции ДНК/РНК. Существует несколько способов проверки наличия филогенетического сигнала в выравнивании, например картирование правдоподобия, графики перехода/трансверсии и расхождения, а также тест Ся на насыщение. ^{[ 4 ]} Если филогенетический сигнал выравнивания слишком низкий, то для проведения филогенетического анализа может потребоваться более длительное выравнивание или выравнивание другого гена в организме. ^{[ 4 ]} Обычно насыщение замен возникает только в наборах данных с вирусными последовательностями. Большинство алгоритмов, используемых для филогенетического анализа, не учитывают рекомбинацию, которая может изменить молекулярные часы и оценки слияния множественного выравнивания последовательностей. ^{[ 4 ]} Штаммы, демонстрирующие признаки рекомбинации, следует либо исключить из набора данных, либо проанализировать самостоятельно. ^{[ 4 ]}

Анализ данных

Эволюционная модель

Наиболее подходящая модель замены нуклеотидов или аминокислот для множественного выравнивания последовательностей является первым шагом в филодинамическом анализе. Этого можно добиться с помощью нескольких различных алгоритмов (например, IQTREE, ^{[ 10 ]} МЕГА ^{[ 11 ]}).

Вывод о филогении

Существует несколько различных методов вывода о филогении. К ним относятся такие методы, как алгоритмы построения деревьев, такие как UPGMA , объединение соседей , максимальная экономия , максимальное правдоподобие и байесовский анализ . ^{[ 4 ]}

Проверка гипотез

Оценка филогенетической поддержки

Проверка надежности дерева после установления его филогении является решающим шагом в филодинамическом конвейере. ^{[ 4 ]} Методы проверки надежности дерева включают начальную загрузку , оценку максимального правдоподобия и апостериорные вероятности в байесовском анализе . ^{[ 4 ]}

Филодинамический вывод

Для оценки филодинамической надежности набора данных используется несколько методов. набора данных Эти методы включают оценку молекулярных часов , демографическую историю, структуру популяции, поток генов и анализ отбора. ^{[ 4 ]} Филодинамические результаты набора данных также могут повлиять на лучший дизайн исследований в будущих экспериментах.

Примеры

Филодинамика холеры

Холера – диарейное заболевание, вызываемое бактерией Vibrio cholerae . V. cholerae стала популярной бактерией для филодинамического анализа после вспышки холеры в 2010 году на Гаити . Вспышка холеры произошла сразу после землетрясения 2010 года на Гаити , которое нанесло серьезный ущерб инфраструктуре, что привело к выводу, что вспышка, скорее всего, произошла из-за того, что бактерия V. cholerae естественным образом попала в воды Гаити в результате землетрясения. Вскоре после землетрясения ООН направила войска МООНСГ из Непала на Гаити. Начали ходить слухи об ужасных условиях в лагере МООНСГ , а также люди утверждали, что войска МООНСГ сбрасывали свои отходы в реку Артибонит , которая является основным источником воды в окрестностях. был зарегистрирован первый случай холеры Вскоре после прибытия войск МООНСГ вблизи места расположения лагеря МООНСГ . ^{[ 12 ]} Филодинамический анализ использовался для установления источника вспышки холеры на Гаити. Полногеномное секвенирование V. cholerae показало, что на Гаити существовал один точечный источник вспышки холеры, похожий на штаммы O1, циркулирующие в Южной Азии. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} До того, как войска МООНСГ из Непала были отправлены на Гаити, в Непале только что произошла вспышка холеры. В первоначальном исследовании по выяснению происхождения вспышки непальские штаммы не были доступны. ^{[ 12 ]} Филодинамический анализ был проведен на гаитянском и непальском штаммах, когда они стали доступны, и подтвердил, что гаитянский штамм холеры наиболее похож на непальский штамм холеры. ^{[ 14 ]} Этот штамм, вызванный вспышкой холеры на Гаити, имел признаки измененного или гибридного штамма V. cholerae, связанного с высокой вирулентностью. ^{[ 5 ]} высококачественные однонуклеотидные полиморфизмы (hqSNP) из полногеномных последовательностей V. cholerae . Обычно для филодинамического анализа используются ^{[ 5 ]} Использование филодинамического анализа для изучения холеры помогает прогнозировать и понимать эволюцию V. cholerae во время бактериальных эпидемий. ^{[ 5 ]}

См. также

Ссылки

^ Волц, Эрик М.; Коэлле, Катя; Бедфорд, Тревор (21 марта 2013 г.). «Вирусная филодинамика» . PLOS Вычислительная биология . 9 (3): e1002947. Бибкод : 2013PLSCB...9E2947V . дои : 10.1371/journal.pcbi.1002947 . ISSN 1553-7358 . ПМК 3605911 . ПМИД 23555203 .
^ Jump up to: ^а ^б Гренфелл, Брайан Т.; Пайбус, Оливер Г.; Гог, Джулия Р.; Вуд, Джеймс Л.Н.; Дейли, Джанет М.; Мамфорд, Дженни А.; Холмс, Эдвард К. (16 января 2004 г.). «Объединение эпидемиологической и эволюционной динамики патогенов». Наука . 303 (5656): 327–332. Бибкод : 2004Sci...303..327G . дои : 10.1126/science.1090727 . ISSN 1095-9203 . ПМИД 14726583 . S2CID 4017704 .
^ Jump up to: ^а ^б Фрост, Саймон Д.В.; Пайбус, Оливер Г.; Гог, Джулия Р.; Вибуд, Сесиль ; Бонхёффер, Себастьян; Бедфорд, Тревор (2015). «Восемь проблем в филодинамическом выводе» . Эпидемии . 10 : 88–92. дои : 10.1016/j.epidem.2014.09.001 . ПМЦ 4383806 . ПМИД 25843391 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д ^р Норстрем, Мелисса М.; Карлссон, Анника С.; Салеми, Марко (01 апреля 2012 г.). «На пути к новой парадигме, связывающей молекулярную эволюцию вируса и патогенез: экспериментальный дизайн и филодинамический вывод». Новая микробиология . 35 (2): 101–111. ISSN 1121-7138 . ПМИД 22707126 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Азарян, Тадж; Али, Афсар; Джонсон, Джудит А.; Мор, Дэвид; Проспери, Маттиа; Верас, Назле М.; Джубайр, Мохаммед; Стрикленд, Саманта Л.; Рашид, Мохаммад Х. (31 декабря 2014 г.). «Филодинамический анализ клинических и экологических изолятов холерного вибриона с Гаити показывает диверсификацию, обусловленную положительным отбором» . мБио . 5 (6): e01824–14. дои : 10.1128/mBio.01824-14 . ISSN 2150-7511 . ПМЦ 4278535 . ПМИД 25538191 .
^ Бик, Роман; Пайбус, Оливер Г.; Ллойд-Смит, Джеймс О.; Дидло, Ксавье (2015). «Измеримо развивающиеся патогены в эпоху генома» . Тенденции в экологии и эволюции . 30 (6): 306–313. дои : 10.1016/j.tree.2015.03.009 . ПМЦ 4457702 . ПМИД 25887947 .
^ Эдгар, Роберт К. (1 января 2004 г.). «MUSCLE: множественное выравнивание последовательностей с высокой точностью и высокой пропускной способностью» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (5): 1792–1797. дои : 10.1093/nar/gkh340 . ISSN 1362-4962 . ПМК 390337 . ПМИД 15034147 .
^ Като, Казутака; Мисава, Кадзухару; Кума, Кей-ичи; Мията, Такаши (15 июля 2002 г.). «MAFFT: новый метод быстрого выравнивания множественных последовательностей на основе быстрого преобразования Фурье» . Исследования нуклеиновых кислот . 30 (14): 3059–3066. дои : 10.1093/nar/gkf436 . ISSN 0305-1048 . ПМЦ 135756 . ПМИД 12136088 .
^ Ларкин, Массачусетс; Блэкшилдс, Г.; Браун, Северная Каролина; Ченна, Р.; МакГеттиган, Пенсильвания; Маквильям, Х.; Валентин, Ф.; Уоллес, IM; Уилм, А. (1 ноября 2007 г.). «Clustal W и Clustal X версии 2.0» . Биоинформатика . 23 (21): 2947–2948. doi : 10.1093/биоинформатика/btm404 . ISSN 1367-4811 . ПМИД 17846036 .
^ Нгуен, Лам-Тунг; Шмидт, Хайко А.; фон Хэзелер, Арндт; Минь, Буй Куанг (01 января 2015 г.). «IQ-TREE: быстрый и эффективный стохастический алгоритм для оценки филогений максимального правдоподобия» . Молекулярная биология и эволюция . 32 (1): 268–274. дои : 10.1093/molbev/msu300 . ISSN 0737-4038 . ПМЦ 4271533 . ПМИД 25371430 .
^ Кумар, Судхир; Стечер, Глен; Тамура, Коитиро (01 июля 2016 г.). «MEGA7: Молекулярно-эволюционно-генетический анализ, версия 7.0 для больших наборов данных» . Молекулярная биология и эволюция . 33 (7): 1870–1874. дои : 10.1093/molbev/msw054 . ISSN 1537-1719 . ПМК 8210823 . ПМИД 27004904 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Пиарру, Рено (2011). «Понимание эпидемии холеры на Гаити» . Новые инфекционные заболевания . 17 (7): 1161–1168. дои : 10.3201/eid1707.110059 . ПМК 3381400 . ПМИД 21762567 .
^ Ората, Фабини Д.; Кейм, Пол С.; Баучер, Ян (3 апреля 2014 г.). «Вспышка холеры на Гаити в 2010 году: как наука разрешила противоречие» . ПЛОС Патогены . 10 (4): e1003967. дои : 10.1371/journal.ppat.1003967 . ISSN 1553-7374 . ПМЦ 3974815 . ПМИД 24699938 .
^ Кац, Ли С.; Петкау, Аарон; Больёрье, Джон; Тайлер, Шон; Антонова Елена Сергеевна; Турнсек, Марианна А.; Го, Ян; Ван, Сусана; Паксинос, Эллен Э. (30 августа 2013 г.). «Эволюционная динамика холерного вибриона O1 после интродукции на Гаити из одного источника» . мБио . 4 (4): e00398–13. дои : 10.1128/mBio.00398-13 . ISSN 2150-7511 . ПМК 3705451 . ПМИД 23820394 .

[1] Волц, Эрик М.; Коэлле, Катя; Бедфорд, Тревор (21 марта 2013 г.). «Вирусная филодинамика» . PLOS Вычислительная биология . 9 (3): e1002947. Бибкод : 2013PLSCB...9E2947V . дои : 10.1371/journal.pcbi.1002947 . ISSN 1553-7358 . ПМК 3605911 . ПМИД 23555203 .

[:0-2] Jump up to: ^а ^б Гренфелл, Брайан Т.; Пайбус, Оливер Г.; Гог, Джулия Р.; Вуд, Джеймс Л.Н.; Дейли, Джанет М.; Мамфорд, Дженни А.; Холмс, Эдвард К. (16 января 2004 г.). «Объединение эпидемиологической и эволюционной динамики патогенов». Наука . 303 (5656): 327–332. Бибкод : 2004Sci...303..327G . дои : 10.1126/science.1090727 . ISSN 1095-9203 . ПМИД 14726583 . S2CID 4017704 .

[:3-3] Jump up to: ^а ^б Фрост, Саймон Д.В.; Пайбус, Оливер Г.; Гог, Джулия Р.; Вибуд, Сесиль ; Бонхёффер, Себастьян; Бедфорд, Тревор (2015). «Восемь проблем в филодинамическом выводе» . Эпидемии . 10 : 88–92. дои : 10.1016/j.epidem.2014.09.001 . ПМЦ 4383806 . ПМИД 25843391 .

[:1-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д ^р Норстрем, Мелисса М.; Карлссон, Анника С.; Салеми, Марко (01 апреля 2012 г.). «На пути к новой парадигме, связывающей молекулярную эволюцию вируса и патогенез: экспериментальный дизайн и филодинамический вывод». Новая микробиология . 35 (2): 101–111. ISSN 1121-7138 . ПМИД 22707126 .

[:2-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Азарян, Тадж; Али, Афсар; Джонсон, Джудит А.; Мор, Дэвид; Проспери, Маттиа; Верас, Назле М.; Джубайр, Мохаммед; Стрикленд, Саманта Л.; Рашид, Мохаммад Х. (31 декабря 2014 г.). «Филодинамический анализ клинических и экологических изолятов холерного вибриона с Гаити показывает диверсификацию, обусловленную положительным отбором» . мБио . 5 (6): e01824–14. дои : 10.1128/mBio.01824-14 . ISSN 2150-7511 . ПМЦ 4278535 . ПМИД 25538191 .

[:4-6] Бик, Роман; Пайбус, Оливер Г.; Ллойд-Смит, Джеймс О.; Дидло, Ксавье (2015). «Измеримо развивающиеся патогены в эпоху генома» . Тенденции в экологии и эволюции . 30 (6): 306–313. дои : 10.1016/j.tree.2015.03.009 . ПМЦ 4457702 . ПМИД 25887947 .

[7] Эдгар, Роберт К. (1 января 2004 г.). «MUSCLE: множественное выравнивание последовательностей с высокой точностью и высокой пропускной способностью» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (5): 1792–1797. дои : 10.1093/nar/gkh340 . ISSN 1362-4962 . ПМК 390337 . ПМИД 15034147 .

[8] Като, Казутака; Мисава, Кадзухару; Кума, Кей-ичи; Мията, Такаши (15 июля 2002 г.). «MAFFT: новый метод быстрого выравнивания множественных последовательностей на основе быстрого преобразования Фурье» . Исследования нуклеиновых кислот . 30 (14): 3059–3066. дои : 10.1093/nar/gkf436 . ISSN 0305-1048 . ПМЦ 135756 . ПМИД 12136088 .

[9] Ларкин, Массачусетс; Блэкшилдс, Г.; Браун, Северная Каролина; Ченна, Р.; МакГеттиган, Пенсильвания; Маквильям, Х.; Валентин, Ф.; Уоллес, IM; Уилм, А. (1 ноября 2007 г.). «Clustal W и Clustal X версии 2.0» . Биоинформатика . 23 (21): 2947–2948. doi : 10.1093/биоинформатика/btm404 . ISSN 1367-4811 . ПМИД 17846036 .

[10] Нгуен, Лам-Тунг; Шмидт, Хайко А.; фон Хэзелер, Арндт; Минь, Буй Куанг (01 января 2015 г.). «IQ-TREE: быстрый и эффективный стохастический алгоритм для оценки филогений максимального правдоподобия» . Молекулярная биология и эволюция . 32 (1): 268–274. дои : 10.1093/molbev/msu300 . ISSN 0737-4038 . ПМЦ 4271533 . ПМИД 25371430 .

[11] Кумар, Судхир; Стечер, Глен; Тамура, Коитиро (01 июля 2016 г.). «MEGA7: Молекулярно-эволюционно-генетический анализ, версия 7.0 для больших наборов данных» . Молекулярная биология и эволюция . 33 (7): 1870–1874. дои : 10.1093/molbev/msw054 . ISSN 1537-1719 . ПМК 8210823 . ПМИД 27004904 .

[:5-12] Jump up to: ^а ^б ^с Пиарру, Рено (2011). «Понимание эпидемии холеры на Гаити» . Новые инфекционные заболевания . 17 (7): 1161–1168. дои : 10.3201/eid1707.110059 . ПМК 3381400 . ПМИД 21762567 .

[13] Ората, Фабини Д.; Кейм, Пол С.; Баучер, Ян (3 апреля 2014 г.). «Вспышка холеры на Гаити в 2010 году: как наука разрешила противоречие» . ПЛОС Патогены . 10 (4): e1003967. дои : 10.1371/journal.ppat.1003967 . ISSN 1553-7374 . ПМЦ 3974815 . ПМИД 24699938 .

[14] Кац, Ли С.; Петкау, Аарон; Больёрье, Джон; Тайлер, Шон; Антонова Елена Сергеевна; Турнсек, Марианна А.; Го, Ян; Ван, Сусана; Паксинос, Эллен Э. (30 августа 2013 г.). «Эволюционная динамика холерного вибриона O1 после интродукции на Гаити из одного источника» . мБио . 4 (4): e00398–13. дои : 10.1128/mBio.00398-13 . ISSN 2150-7511 . ПМК 3705451 . ПМИД 23820394 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]