Филогеномика - Phylogenomics

Филогеномика является пересечением полей эволюция и геномика.[1] Этот термин использовался по-разному для обозначения анализа, который включает геном данные и эволюционные реконструкции. Это группа техник в более крупных областях филогенетика и геномика. Филогеномика собирает информацию, сравнивая целые геномы или, по крайней мере, большие части геномов.[2] Филогенетика сравнивает и анализирует последовательности отдельных генов или небольшого количества генов, а также многие другие типы данных. Четыре основных направления подпадают под филогеномику:

  • Прогнозирование функции гена
  • Установление и выяснение эволюционных отношений
  • Эволюция семейства генов
  • Прогнозирование и отслеживание боковой перенос гена.

Прогнозирование функции гена

Когда Джонатан Эйзен первоначально придуманный филогеномика, он применяется для предсказания функции генов. До использования филогеномных методов прогнозирование функции гена производилось в первую очередь путем сравнения последовательности гена с последовательностями генов с известными функциями. Когда задействовано несколько генов со сходными последовательностями, но разными функциями, один только этот метод неэффективен для определения функции. Конкретный пример представлен в статье «Гастрономические изыски: подвижный пир».[3] Прогнозы генов, основанные только на сходстве последовательностей, использовались для предсказания того, что Helicobacter pylori может отремонтировать несоответствующий ДНК.[4] Это предсказание было основано на том факте, что этот организм имеет ген, последовательность которого очень похожа на гены других видов в семействе генов «MutS», многие из которых, как известно, участвуют в репарации несовпадений. Однако Эйзен отметил, что Хеликобактер пилори не хватает других генов, которые считаются важными для этой функции (в частности, членов семейства MutL). Эйзен предложил решение этого очевидного несоответствия - филогенетические деревья генов семейства MutS показали, что ген, обнаруженный в Хеликобактер пилори не принадлежали к тому же подсемейству, что и те, которые, как известно, участвовали в восстановлении несоответствия.[3] Более того, он предположил, что этот «филогеномный» подход можно использовать в качестве общего метода для прогнозирования функций генов. Этот подход был официально описан в 1998 году.[5] Для обзоров этого аспекта филогеномики см. Brown D, Sjölander K. Функциональная классификация с использованием филогеномного вывода.[6][7]

Прогнозирование и отслеживание латерального переноса генов

Традиционные филогенетические методы затрудняют установление различий между генами, сходными из-за латерального переноса генов, и генами, похожими из-за того, что у организмов был общий предок. Сравнивая большое количество генов или целые геномы у многих видов, можно идентифицировать перенесенные гены, поскольку эти последовательности ведут себя иначе, чем ожидалось с учетом таксономия организма. Используя эти методы, исследователи смогли идентифицировать более 2000 метаболических ферментов, полученных различными эукариотическими паразитами в результате латерального переноса генов.[8]

Эволюция семейства генов

Сравнение полных наборов генов для группы организмов позволяет идентифицировать события в эволюции генов, такие как дупликация гена или же делеция гена. Часто такие события имеют эволюционное значение. Например, множественные дупликации генов, кодирующих деградирующие ферменты определенных семейств, являются обычной адаптацией микробов к новым источникам питательных веществ. Напротив, потеря генов важна для редуктивная эволюция, например, у внутриклеточных паразитов или симбионтов. Дублирование всего генома события, которые потенциально могут дублировать все гены в геноме одновременно, являются радикальными эволюционными событиями, имеющими большое значение для эволюции многих клад, и сигнал которых можно отследить филогеномными методами.

Установление эволюционных отношений

Традиционные исследования отдельных генов эффективны при установлении филогенетических деревьев среди близкородственных организмов, но имеют недостатки при сравнении более отдаленных родственных организмов или микроорганизмов. Это из-за боковой перенос гена, конвергенция, и разная скорость эволюции для разных генов. Используя полные геномы в этих сравнениях, аномалии, созданные из этих факторов, подавляются закономерностью эволюции, обозначенной большинством данных.[9][10][11] Через филогеномика, было обнаружено, что большинство фотосинтезирующих эукариот связаны и, возможно, имеют одного предка. Исследователи сравнили 135 генов из 65 различных разновидность фотосинтезирующих организмов. К ним относятся растения, альвеолиты, ризарии, гаптофиты и криптомонады.[12] Это было названо Растения + HC + SAR мегагруппа. Используя этот метод, теоретически возможно создать полностью разрешенные филогенетические деревья, а временные ограничения могут быть восстановлены более точно.[13][14] Однако на практике это не всегда так. Из-за недостатка данных иногда могут поддерживаться несколько деревьев одними и теми же данными при анализе с использованием разных методов.[15]

Базы данных

  1. PhylomeDB

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ БиоМед Централ | Полный текст | Обзор Первой конференции по филогеномике
  2. ^ Пенниси, Элизабет (27 июня 2008 г.). «Построение древа жизни, геном по геному». Наука. 320 (5884): 1716–1717. Дои:10.1126 / science.320.5884.1716. PMID  18583591.
  3. ^ а б Эйзен Дж. А., Кайзер Д., Майерс Р. Л. (1997). «Гастрогеномные наслаждения: праздник подвижный». Nat. Med. 3 (10): 1076–8. Дои:10,1038 / нм 1097-1076. ЧВК  3155951. PMID  9334711.
  4. ^ Tomb JF, White O, Kerlavage AR, Clayton RA, Sutton GG, Fleischmann RD, Ketchum KA, Klenk HP, Gill S, Dougherty BA, Nelson K, Quackenbush J, Zhou L, Kirkness EF, Peterson S, Loftus B, Richardson D , Dodson R, Khalak HG, Glodek A, McKenney K, Fitzegerald LM, Lee N, Adams MD, Hickey EK, Berg DE, Gocayne JD, Utterback TR, Peterson JD, Kelley JM, Cotton MD, Weidman JM, Fujii C, Bowman С, Уотти Л., Валлин Э., Хейс В.С., Бородовский М., Карп П.Д., Смит Х.О., Фрейзер С.М., Вентер Дж. К. (1997). «Полная последовательность генома возбудителя желудочного сока Helicobacter pylori». Природа. 388 (6642): 539–47. Дои:10.1038/41483. PMID  9252185.
  5. ^ Эйзен Дж. А. (1998). «Филогеномика: улучшение функциональных предсказаний для не охарактеризованных генов с помощью эволюционного анализа». Genome Res. 8 (3): 163–7. Дои:10.1101 / гр. 8.3.163. PMID  9521918.
  6. ^ Brown D, Sjölander K (июнь 2006 г.). «Функциональная классификация с использованием филогеномного вывода». PLOS Comput. Биол. 2 (6): e77. Дои:10.1371 / journal.pcbi.0020077. ЧВК  1484587. PMID  16846248.
  7. ^ Sjölander K (январь 2004 г.). «Филогеномный вывод молекулярной функции белков: достижения и проблемы» (PDF). Биоинформатика. 20 (2): 170–9. Дои:10.1093 / биоинформатика / bth021. PMID  14734307.
  8. ^ Уитакер JW, МакКонки GA, Westhead DR (2009). «Трансфертом метаболических генов исследован: анализ горизонтального переноса генов, кодирующих ферменты, у одноклеточных эукариот». Геномная биология. 10 (4): R36. Дои:10.1186 / gb-2009-10-4-r36. ЧВК  2688927. PMID  19368726.
  9. ^ Делсук Ф, Бринкманн Х, Филипп Х (2005). «Филогеномика и реконструкция древа жизни». Нат Рев Жене. 6 (5): 361–75. CiteSeerX  10.1.1.333.1615. Дои:10.1038 / nrg1603. PMID  15861208.
  10. ^ Philippe H, Snell EA, Bapteste E, Lopez P, Holland PW, Casane D "Филогеномика эукариот: влияние отсутствующих данных на большие выравнивания" Мол Биол Эвол 2004 сентябрь; 21 (9): 1740-52. .
  11. ^ Джеффрой О., Бринкманн Х, Делсук Ф, Филипп Х (апрель 2006 г.). «Филогеномика: начало несоответствия?». Тенденции в генетике. 22 (4): 225–31. Дои:10.1016 / j.tig.2006.02.003. PMID  16490279.
  12. ^ Бурки, Фабьен; Шалчиан-Тебризи, Камран; Павловский, янв (23 августа 2008 г.). «Филогеномика открывает новую« мегагруппу », включающую большинство фотосинтезирующих эукариот». Письма о биологии. 4 (4): 366–369. Дои:10.1098 / рсбл.2008.0224. ЧВК  2610160. PMID  18522922.
  13. ^ Dos Reis, M .; Inoue, J .; Hasegawa, M .; Asher, R.J .; Донохью, П. С. Дж .; Ян З. (2012). «Наборы филогеномных данных обеспечивают точность и аккуратность в оценке временной шкалы филогении плацентарных млекопитающих». Труды Королевского общества B: биологические науки. 279 (1742): 3491–3500. Дои:10.1098 / rspb.2012.0683. ЧВК  3396900. PMID  22628470.
  14. ^ Кобер, К. М .; Бернарди, Г. (2013). «Филогеномика стронгилоцентротидных морских ежей». BMC Эволюционная биология. 13: 88. Дои:10.1186/1471-2148-13-88. ЧВК  3637829. PMID  23617542.
  15. ^ Филипп, Эрве; Делсук, Фредерик; Бринкманн, Хеннер; Лартильо, Николас (2005). «Филогеномика». Ежегодный обзор экологии, эволюции и систематики. 36: 541–562. Дои:10.1146 / annurev.ecolsys.35.112202.130205.