Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Бактериальный phylodynamics является изучением иммунологии , эпидемиологии и филогенетика из бактериальных патогенов , чтобы лучше понять эволюционную роль этих патогенов. [1] [2] [3] Филодинамический анализ включает анализ генетического разнообразия , естественного отбора и популяционной динамики филогении возбудителей инфекционных заболеваний во время пандемий и изучение эволюции вирусов внутри хозяина. [4] Филодинамика объединяет изучение филогенетического анализа., экологические и эволюционные процессы, чтобы лучше понять механизмы, которые определяют пространственно-временную заболеваемость и филогенетические паттерны бактериальных патогенов. [2] [4] Бактериальные phylodynamics использования генома -ные однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) для того , чтобы лучше понять эволюционный механизм бактериальных патогенов. [5] Многие филодинамические исследования были выполнены на вирусах, особенно на РНК-вирусах (см. Филодинамика вирусов ), которые имеют высокую частоту мутаций. Область бактериальной филодинамики значительно расширилась благодаря развитию секвенирования следующего поколения и количеству доступных данных.

Методы [ править ]

Новая гипотеза (дизайн исследования) [ править ]

Исследования могут быть разработаны для наблюдения за взаимодействиями внутри хозяина или между хозяевами. Бактериальные филодинамические исследования обычно сосредотачиваются на взаимодействии между хозяевами с образцами от многих разных хозяев в определенном географическом местоположении или нескольких разных географических точках. [4] Самая важная часть плана исследования - это то, как организовать стратегию выборки. [4] Например, количество выбранных временных точек, интервал выборки и количество последовательностей на временную точку имеют решающее значение для филодинамического анализа. [4] Систематическая ошибка выборки вызывает проблемы при рассмотрении разнообразных таксологических выборок. [3] Например, выборка из ограниченного географического района может повлиять на эффективную численность населения. [6]

Создание данных [ править ]

Экспериментальные настройки [ править ]

Секвенирование генома или геномных областей и какой метод секвенирования использовать - важная экспериментальная установка для филодинамического анализа. Секвенирование всего генома часто выполняется на бактериальных геномах, хотя в зависимости от дизайна 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 надлежащая подготовка всех бактериальных геномов является обязательной.

Выравнивание [ править ]

При получении нового набора данных с образцами для филодинамического анализа последовательности в новом наборе данных выравниваются. [4] поиск BLAST часто выполняется , чтобы найти похожие штаммы возбудителя , представляющего интереса. Последовательности, собранные с помощью BLAST для выравнивания, потребуют надлежащей информации для добавления к набору данных, такой как дата сбора образца и географическое положение образца. Алгоритмы множественного выравнивания последовательностей (например, MUSCLE, [7] MAFFT , [8] и CLUSAL W [9] ) выравнивают набор данных со всеми выбранными последовательностями. После запуска алгоритма множественного выравнивания настоятельно рекомендуется редактировать выравнивание вручную. [4] Алгоритмы множественного выравнивания последовательностей могут оставлять большое количество инделек в выравнивании последовательностей, когда они не существуют. [4] Ручное редактирование вставок в наборе данных позволит построить более точное филогенетическое дерево. [4]

Контроль качества [ править ]

Для проведения точного филодинамического анализа необходимо применять методы контроля качества. Это включает проверку образцов в наборе данных на предмет возможного загрязнения, измерение филогенетического сигнала последовательностей и проверку последовательностей на предмет возможных признаков рекомбинантных штаммов. [4] Загрязнение образцов в наборе данных можно исключить с помощью различных лабораторных методов и соответствующих методов выделения ДНК / РНК. Существует несколько способов проверки филогенетического сигнала в выравнивании, таких как сопоставление вероятностей, графики перехода / трансверсий и дивергенции и тест Xia на насыщение. [4] Если филогенетический сигнал выравнивания слишком низкий, то для выполнения филогенетического анализа может потребоваться более длительное выравнивание или выравнивание другого гена в организме.[4] Обычно проблема насыщения заменами возникает только в наборах данных с вирусными последовательностями. Большинство алгоритмов, используемых для филогенетического анализа, не учитывают рекомбинацию, которая может изменить молекулярные часы и объединить оценки множественного выравнивания последовательностей. [4] Штаммы, проявляющие признаки рекомбинации, следует либо исключить из набора данных, либо проанализировать самостоятельно. [4]

Анализ данных [ править ]

Эволюционная модель [ править ]

Наиболее подходящая модель нуклеотидной или аминокислотной замены для множественного выравнивания последовательностей - это первый шаг в филодинамическом анализе. Это может быть выполнено с помощью нескольких различных алгоритмов (например, IQTREE, [10] MEGA [11] ).

Филогенетический вывод [ править ]

Существует несколько различных методов определения филогении. К ним относятся такие методы, как алгоритмы построения дерева, такие как UPGMA , объединение соседей , максимальная экономия , максимальная вероятность и байесовский анализ . [4]

Проверка гипотез [ править ]

Оценка филогенетической поддержки [ править ]

Проверка надежности дерева после определения его филогении - важный шаг в филодинамическом конвейере. [4] Методы проверки надежности дерева включают бутстрапирование , оценку максимального правдоподобия и апостериорные вероятности в байесовском анализе . [4]

Филодинамический вывод [ править ]

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

Примеры [ править ]

Филодинамика холеры [ править ]

Холера - это диарейное заболевание, вызываемое бактерией Vibrio cholerae . V. cholerae была популярной бактерией для филодинамического анализа после вспышки холеры на Гаити в 2010 году . Вспышка холеры произошла сразу после землетрясения на Гаити в 2010 году , которое вызвало критический ущерб инфраструктуре, что привело к выводу, что вспышка, скорее всего, была вызвана бактерией V. cholerae, которая естественным образом попала в воды Гаити в результате землетрясения. Вскоре после землетрясения ООН направила войска МООНСГ из Непала в Гаити. Пошли слухи об ужасных условиях МООНСГ.лагерь, а также люди, утверждающие, что войска МООНСГ сбрасывали свои отходы в реку Артибонит , которая является основным источником воды в окрестностях. Вскоре после прибытия войск МООНСГ недалеко от лагеря МООНСГ был зарегистрирован первый случай холеры . [12] Для выяснения источника вспышки холеры на Гаити использовался филодинамический анализ. Полное секвенирование генома V. cholerae показало, что на Гаити существует единственный точечный источник вспышки холеры, аналогичный штамму O1, циркулирующему в Южной Азии. [12] [13] До того, как войска МООНСГ из Непала были отправлены в Гаити, в Непале только что произошла вспышка холеры. В первоначальном исследовании для отслеживания происхождения вспышки непальские штаммы не были доступны. [12] Филодинамический анализ был проведен на гаитянском штамме и непальском штамме, когда он стал доступным, и подтвердил, что гаитянский штамм холеры был наиболее похож на непальский штамм холеры. [14] Этот штамм вспышки холеры на Гаити показал признаки измененного или гибридного штамма V. cholerae, связанного с высокой вирулентностью. [5] Обычно для филодинамического анализа используются однонуклеотидные полиморфизмы высокого качества (hqSNP) из полногеномных последовательностей V. cholerae . [5] Использование филодинамического анализа для изучения холеры помогает прогнозировать и понимать эволюцию V. cholerae во время бактериальных эпидемий. [5]

См. Также [ править ]

  • Вспышка холеры на Гаити в 2010 г.
  • Вычислительная филогенетика
  • MAFFT
  • Миссия Организации Объединенных Наций по стабилизации в Гаити
  • Вирусная филодинамика

Ссылки [ править ]

  1. ^ Volz, Эрик М .; Коэлле, Катя; Бедфорд, Тревор (21 марта 2013). «Вирусная филодинамика» . PLOS Вычислительная биология . 9 (3): e1002947. Bibcode : 2013PLSCB ... 9E2947V . DOI : 10.1371 / journal.pcbi.1002947 . ISSN  1553-7358 . PMC  3605911 . PMID  23555203 .
  2. ^ a b Гренфелл, Брайан Т .; Pybus, Оливер G .; Гог, Юлия 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. Bibcode : 2004Sci ... 303..327G . DOI : 10.1126 / science.1090727 . ISSN 1095-9203 . PMID 14726583 . S2CID 4017704 .   
  3. ^ a b Фрост, Саймон DW; Pybus, Оливер G .; Гог, Юлия Р .; Вибу, Сесиль ; Бонхёффер, Себастьян; Бедфорд, Тревор (2015). «Восемь проблем в филодинамическом выводе» . Эпидемии . 10 : 88–92. DOI : 10.1016 / j.epidem.2014.09.001 . PMC 4383806 . PMID 25843391 .   CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  4. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r Norström, Melissa M .; Карлссон, Анника С .; Салеми, Марко (2012-04-01). «К новой парадигме, связывающей молекулярную эволюцию вируса и патогенез: экспериментальный дизайн и филодинамический вывод». Новая микробиология . 35 (2): 101–111. ISSN 1121-7138 . PMID 22707126 .  
  5. ^ а б в г 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 из Гаити показывает диверсификацию, обусловленную положительным отбором» . mBio . 5 (6): e01824–14. DOI : 10,1128 / mBio.01824-14 . ISSN 2150-7511 . PMC 4278535 . PMID 25538191 .   
  6. ^ Бик, Роман; Pybus, Оливер G .; Ллойд-Смит, Джеймс О .; Дидело, Ксавье (2015). «Соизмеримо эволюционирующие патогены в эпоху генома» . Тенденции в экологии и эволюции . 30 (6): 306–313. DOI : 10.1016 / j.tree.2015.03.009 . PMC 4457702 . PMID 25887947 .  
  7. ^ Эдгар, Роберт С. (2004-01-01). «МЫШЦЫ: множественное выравнивание последовательностей с высокой точностью и высокой пропускной способностью» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (5): 1792–1797. DOI : 10.1093 / NAR / gkh340 . ISSN 1362-4962 . PMC 390337 . PMID 15034147 .   
  8. ^ Като, Казутак; Мисава, Кадзухару; Кума, Кей-ичи; Мията, Такаши (2002-07-15). «MAFFT: новый метод быстрого совмещения множественных последовательностей, основанный на быстром преобразовании Фурье» . Исследования нуклеиновых кислот . 30 (14): 3059–3066. DOI : 10.1093 / NAR / gkf436 . ISSN 0305-1048 . PMC 135756 . PMID 12136088 .   
  9. ^ Ларкин, Массачусетс; Blackshields, G .; Браун, Н.П .; Chenna, R .; МакГеттиган, Пенсильвания; McWilliam, H .; Валентин, Ф .; Уоллес, И. М.; Вильм, А. (2007-11-01). «Clustal W и Clustal X версии 2.0» . Биоинформатика . 23 (21): 2947–2948. DOI : 10.1093 / биоинформатики / btm404 . ISSN 1367-4811 . PMID 17846036 .  
  10. ^ Нгуен, Лам-Тунг; Schmidt, Heiko A .; фон Хезелер, Арндт; Минь, Буй Куанг (01.01.2015). «IQ-TREE: быстрый и эффективный стохастический алгоритм для оценки филогении максимального правдоподобия» . Молекулярная биология и эволюция . 32 (1): 268–274. DOI : 10.1093 / molbev / msu300 . ISSN 0737-4038 . PMC 4271533 . PMID 25371430 .   
  11. ^ Кумар, Судхир; Стечер, Глен; Тамура, Коитиро (01.07.2016). «MEGA7: молекулярно-эволюционный генетический анализ версии 7.0 для больших наборов данных» . Молекулярная биология и эволюция . 33 (7): 1870–1874. DOI : 10.1093 / molbev / msw054 . ISSN 1537-1719 . PMID 27004904 .  
  12. ^ a b c Пиарру, Рено (2011). «Понимание эпидемии холеры, Гаити» . Возникающие инфекционные заболевания . 17 (7): 1161–1168. DOI : 10.3201 / eid1707.110059 . PMC 3381400 . PMID 21762567 .  
  13. ^ Ората, Фабини Д .; Keim, Paul S .; Баучер, Ян (2014-04-03). «Вспышка холеры на Гаити в 2010 году: как наука разрешила противоречие» . PLOS Патогены . 10 (4): e1003967. DOI : 10.1371 / journal.ppat.1003967 . ISSN 1553-7374 . PMC 3974815 . PMID 24699938 .   
  14. ^ Кац, Ли S .; Петкау, Аарон; Больорье, Джон; Тайлер, Шон; Антонова Елена С .; Turnsek, Maryann A .; Го, Ян; Ван, Сусана; Паксинос, Эллен Э. (30 августа 2013 г.). «Эволюционная динамика холерного вибриона O1 после введения одного источника в Гаити» . mBio . 4 (4): e00398–13. DOI : 10,1128 / mBio.00398-13 . ISSN 2150-7511 . PMC 3705451 . PMID 23820394 .