Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Секвенирование генома исчезающих видов - это применение технологий секвенирования следующего поколения (NGS) в области консервативной биологии с целью получения жизненных , демографических и филогенетических данных, имеющих отношение к управлению исчезающими видами дикой природы . [1]

Фон [ править ]

В контексте природоохранной биологии геномные технологии, такие как производство крупномасштабных наборов данных секвенирования посредством секвенирования ДНК, могут использоваться для выделения соответствующих аспектов биологии видов диких животных, в отношении которых могут потребоваться меры управления. Это может включать оценку недавних демографических событий, генетических вариаций , расхождения между видами и популяционной структуры. Полногеномные ассоциативные исследования(GWAS) полезны для изучения роли естественного отбора на уровне генома, чтобы определить локусы, связанные с приспособленностью, местной адаптацией, инбридингом, депрессией или восприимчивостью к болезням. Доступ ко всем этим данным и исследование вариаций SNP-маркеров по всему геному может помочь в выявлении генетических изменений, которые влияют на приспособленность диких видов, а также важны для оценки потенциальной реакции на изменение окружающей среды. Ожидается, что проекты NGS быстро увеличат количество видов, находящихся под угрозой исчезновения, для которых доступны собранные геномы и подробная информация об изменении последовательностей, и эти данные будут способствовать исследованиям, имеющим отношение к сохранению биологического разнообразия. [1]

Методология [ править ]

Невычислительные методы [ править ]

Традиционными подходами к сохранению исчезающих видов являются разведение в неволе и частное земледелие . В некоторых случаях эти методы приводили к отличным результатам, но некоторые проблемы все еще остаются. Например, при инбридинге только нескольких особей генетический пул субпопуляции остается ограниченным или может уменьшаться. [ необходима цитата ]

Филогенетический анализ и оценка семейства генов [ править ]

Генетический анализ может удалить субъективные элементы из определения филогенетических отношений между организмами. Принимая во внимание большое разнообразие информации, предоставляемой живыми организмами, очевидно, что тип данных будет влиять как на метод лечения, так и на достоверность результатов: чем выше корреляция данных и генотипа, тем выше вероятность достоверности. Анализ данных можно использовать для сравнения различных баз данных секвенирования и поиска схожих последовательностей или схожих белков у разных видов. Сравнение может быть выполнено с использованием информационного программного обеспечения на основе сопоставления, чтобы узнать расхождение между разными видами и оценить сходство. [2] [ нужен лучший источник ]

NGS / Расширенные методологии секвенирования [ править ]

Поскольку полногеномное секвенирование, как правило, требует больших объемов данных, методы сокращенного представления геномных подходов иногда используются для практических приложений. Например, в настоящее время разрабатываются секвенирование ДНК, связанное с сайтом рестрикции ( RADseq ) и RADseq с двойным гидролизом. С помощью этих методов исследователи могут нацеливаться на разное количество локусов. Используя статистический и биоинформатический подход, ученые могут делать выводы о больших геномах, просто сосредотачиваясь на их небольшой репрезентативной части. [3]

Статистические и вычислительные методы [ править ]

При решении биологических проблем можно встретить несколько типов геномных данных или иногда совокупность данных одного и того же типа в нескольких исследованиях, и декодирование такого огромного количества данных вручную невозможно и утомительно. Поэтому комплексный анализ геномных данных с использованием статистических методов стал популярным. Быстрое развитие технологий с высокой пропускной способностью позволяет исследователям отвечать на более сложные биологические вопросы, что позволяет разрабатывать статистические методы в интегрированной геномике для создания более эффективных терапевтических стратегий для лечения заболеваний человека. [4]

Ключевые особенности генома [ править ]

При изучении генома следует учитывать несколько важных аспектов. Прогнозирование генов - это идентификация генетических элементов в геномной последовательности. Это исследование основано на сочетании подходов: de novo, предсказание гомологии и транскрипция. Такие инструменты, как EvidenceModeler, используются для объединения различных результатов. [5] Также сравнивалась структура гена, включая длину мРНК, длину экзона, длину интрона, номер экзона и некодирующую РНК . [ необходима цитата ]

Было обнаружено, что анализ повторяющихся последовательностей полезен при реконструкции временных рамок расхождения видов. [6]

Применение и тематические исследования [ править ]

Геномный подход в определении пола [ править ]

Для сохранения вида крайне важно знать систему спаривания: ученые могут стабилизировать дикие популяции посредством разведения в неволе с последующим выпуском в окружающую среду новых особей. [3] Эта задача особенно трудна при рассмотрении видов с гомоморфными половыми хромосомами и большим геномом. [3] Например, в случае амфибий существует несколько переходов между мужской и / или женской гетерогаметностью . Иногда сообщалось даже о вариациях половых хромосом в популяциях амфибий одного и того же вида. [3]

Японская гигантская саламандра [ править ]

Японская гигантская саламандра ( Andrias japonicus )

Множественные переходы между системами XY и ZW, которые происходят у земноводных, определяют лабильность половых хромосомных систем в популяциях саламандр . Понимая хромосомную основу пола этих видов, можно реконструировать филогенетическую историю этих семейств и использовать более эффективные стратегии их сохранения.

Используя метод ddRADseq, ученые обнаружили новые локусы, связанные с полом, в геноме семейства Cryptobranchidae размером 56 ГБ. Их результаты подтверждают гипотезу о гетерогаметности самок этого вида. Эти локусы были подтверждены посредством биоинформатического анализа наличия / отсутствия этого генетического локуса у лиц, определяемых полом. Их пол был установлен ранее с помощью УЗИ, лапароскопии.и измерение разницы уровней кальция в сыворотке. Определение этих потенциальных половых локусов было выполнено для проверки гипотез как о женской гетерогаметности, так и о мужской гетегогаметности. Наконец, чтобы оценить достоверность этих локусов, их амплифицировали с помощью ПЦР непосредственно из образцов лиц известного пола. Этот последний шаг привел к демонстрации женской гетерогаметности нескольких дивергентных популяций семейства Cryptobranchidae. [3]

Геномный подход к генетической изменчивости [ править ]

Обезьяна дриас и золотистая курносая обезьяна [ править ]

Золотистая курносая обезьяна ( Rhinopithecus roxellana )

В недавнем исследовании использовало секвенирование целого генома данные , чтобы продемонстрировать сестра линию между обезьяной Огуаз и верветкой и их расхождением с дополнительным двунаправленным потоком генами примерно 750000 до примерно 500000 лет назад. При <250 оставшихся взрослых особях исследование показало высокое генетическое разнообразие и низкие уровни инбридинга и генетической нагрузки у изученных особей дриасских обезьян. [7]

Другое исследование , использовало несколько методов , такие как одной молекулу реального время последовательность , парно-концевое секвенирование , оптические карты и высокий пропускной способность захват хромосомы конформации для получения высокого качества хромосомы сборки из уже построенных неполных и фрагментарного генома сборки для золотых курносого обезьяна . Современные методы, использованные в этом исследовании, представили 100-кратное улучшение генома с 22 497 генами, кодирующими белок, большинство из которых были функционально аннотированы. Реконструированный геном показал тесную связь между видом и макакой резус , что указывает на расхождение примерно 13,4 миллиона лет назад. [8]

Геномный подход в сохранении [ править ]

Растения [ править ]

Виды растений, идентифицированные как PSESP («виды растений с чрезвычайно малой популяцией»), были в центре внимания геномных исследований с целью определения популяций, находящихся под наибольшей угрозой исчезновения. [9] Геном ДНК можно секвенировать, начиная со свежих листьев, путем экстракции ДНК. Комбинация различных методов секвенирования может использоваться для получения данных высокого качества, которые могут быть использованы для сборки генома. Экстракция РНК необходима для сборки транскриптома, и процесс экстракции начинается со стебля, корней, плодов, почек и листьев. The de novoСборка генома может быть выполнена с использованием программного обеспечения для оптимизации сборки и создания каркасов. Программное обеспечение также можно использовать для заполнения пробелов и уменьшения взаимодействия между хромосомами. Комбинация различных данных может использоваться для идентификации ортологичного гена с разными видами, построения филогенетического дерева и сравнения межвидовых геномов. [9]

Ограничения и перспективы на будущее [ править ]

Развитие методов непрямого секвенирования в некоторой степени смягчило недостаток эффективных технологий секвенирования ДНК. Эти методы позволили исследователям расширить научные знания в таких областях, как экология и эволюция. Было разработано несколько генетических маркеров , более или менее подходящих для этой цели, которые помогли исследователям решить многие проблемы, среди которых демография и системы спаривания, популяционные структуры и филогеография, видовые процессы и видовые различия, гибридизация и интрогрессия, филогенетика во многих временных масштабах. Однако у всех этих подходов был основной недостаток: все они были ограничены только частью всего генома, так что параметры всего генома были выведены из крошечного количества генетического материала. [10]

Изобретение и развитие методов секвенирования ДНК внесло огромный вклад в увеличение объема доступных данных, потенциально полезных для улучшения области природоохранной биологии.. Постоянное развитие более дешевой и высокой пропускной способности позволило получить широкий спектр информации по нескольким дисциплинам, предоставив биологам-экологам очень мощный банк данных, из которого можно было экстраполировать полезную информацию, например, о структуре популяции, генетических связях, идентификации потенциальных рисков из-за демографических изменений и процессов инбридинга с помощью популяционно-геномных подходов, основанных на обнаружении SNP, indel или CNV. С одной стороны, данные, полученные в результате высокопроизводительного секвенирования полных геномов, потенциально были огромным достижением в области сохранения видов, открывая широкие двери для будущих проблем и возможностей. С другой стороны, все эти данные поставили исследователей перед двумя основными проблемами. Во-первых, как обрабатывать всю эту информацию. Второй,как преобразовать всю доступную информацию в стратегии и практику сохранения или, другими словами, как заполнить пробел между геномными исследованиями и применением в области сохранения.[11] [12] [13]

К сожалению, существует множество аналитических и практических проблем, которые необходимо учитывать при использовании подходов, включающих полногеномное секвенирование. Доступность образцов является основным ограничивающим фактором: процедуры отбора образцов могут беспокоить и без того хрупкую популяцию или могут иметь большое влияние на самих животных, ограничивая сбор образцов. По этим причинам было разработано несколько альтернативных стратегий: постоянный мониторинг, например, с помощью радиоошейников, позволяет нам понять поведение и разработать стратегии для получения генетических образцов и управления популяциями, находящимися под угрозой исчезновения. Образцы, взятые у этих видов, затем используются для получения первичной клеточной культуры из биопсий. Действительно, такой материал позволяет нам выращивать клетки in vitro,и позволяют нам извлекать и изучать генетический материал без постоянного отбора проб из находящихся под угрозой исчезновения популяций. Несмотря на более быстрое и легкое производство данных и постоянное совершенствование технологий секвенирования, все еще наблюдается заметная задержка в методах анализа и обработки данных. Полногеномный анализ и большие исследования геномов требуют достижений в биоинформатике и вычислительной биологии. В то же время необходимы улучшения в статистических программах и популяционной генетике для разработки более эффективных стратегий сохранения. Этот последний аспект работает параллельно со стратегиями прогнозирования, которые должны учитывать все особенности, определяющие приспособленность вида.Полногеномный анализ и большие исследования геномов требуют достижений в биоинформатике и вычислительной биологии. В то же время необходимы улучшения в статистических программах и популяционной генетике для разработки более эффективных стратегий сохранения. Этот последний аспект работает параллельно со стратегиями прогнозирования, которые должны учитывать все особенности, определяющие приспособленность вида.Полногеномный анализ и большие исследования геномов требуют достижений в биоинформатике и вычислительной биологии. В то же время необходимы улучшения в статистических программах и популяционной генетике для разработки более эффективных стратегий сохранения. Этот последний аспект работает параллельно со стратегиями прогнозирования, которые должны учитывать все особенности, определяющие приспособленность вида.[1]

См. Также [ править ]

  • Вымирающие виды

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Steiner, Cynthia C .; Putnam, Andrea S .; Hoeck, Paquita EA; Райдер, Оливер А. (2013). «Сохранение геномики видов животных, находящихся под угрозой исчезновения». Ежегодный обзор биологических наук о животных . 1 : 261–281. DOI : 10.1146 / annurev-animal-031412-103636 . PMID  25387020 .
  2. ^ Бетцер, Мартен; Henkel, Christiaan V .; Jansen, Hans J .; Батлер, Дерек; Пировано, Вальтер (15 февраля 2011 г.). «Строительные леса предварительно собранные контиги с использованием SSPACE» . Биоинформатика . 27 (4): 578–579. DOI : 10.1093 / биоинформатики / btq683 . ISSN 1367-4811 . PMID 21149342 .  
  3. ^ a b c d e Hime, Paul M .; Бригглер, Джеффри Т .; Рис, Джошуа С .; Вайсрок, Дэвид В. (01.10.2019). «Геномные данные показывают сохраненную женскую гетерогаметность у гигантских саламандр с гигантскими ядерными геномами» . G3: Гены, геномы, генетика . 9 (10): 3467–3476. DOI : 10,1534 / g3.119.400556 . ISSN 2160-1836 . PMC 6778777 . PMID 31439718 .   
  4. ^ Ричардсон, Сильвия; Ценг, Джордж С .; Вс, Вэй (июнь 2016 г.). «Статистические методы в интегративной геномике» . Ежегодный обзор статистики и ее применение . 3 (1): 181–209. Bibcode : 2016AnRSA ... 3..181R . DOI : 10.1146 / annurev-statistics-041715-033506 . ISSN 2326-8298 . PMC 4963036 . PMID 27482531 .   
  5. ^ Хаас, Брайан Дж .; и другие. (2008). «Автоматическая аннотация структуры эукариотических генов с использованием EVidenceModeler и программы для сборки сплайсированных выравниваний» . Геномная биология . 9 (1): R7. DOI : 10.1186 / GB-2008-9-1-r7 . PMC 2395244 . PMID 18190707 .  
  6. ^ «Вымирающие животные могут быть идентифицированы по скорости потери генетического разнообразия - Университет Пердью» . www.purdue.edu . Проверено 26 ноября 2019 .
  7. ^ ван дер Валк, Том; Гонда, Каталина М; Силегова, Анри; Альманза, Сандра; Сифуэнтес-Ромеро, Итцель; Харт, Тереза ​​Б; Харт, Джон А; Детвилер, Кейт М; Гущанский, Катерина (2020). Йодер, Энн (ред.). «Геном исчезающей обезьяны дриаса дает новый взгляд на эволюционную историю верветок» . Молекулярная биология и эволюция . 37 : 183–194. DOI : 10.1093 / molbev / msz213 . ISSN 0737-4038 . PMC 6984364 . PMID 31529046 .   
  8. ^ Ван, Лу; Ву, Цзиньвэй; Лю, Сяомэй; Ди, Дандан; Лян, Юхун; Фэн, Ифэй; Чжан, Суюнь; Ли, Баогуо; Ци, Сяо-Гуан (2019-08-01). «Высококачественная сборка генома находящейся под угрозой исчезновения золотистой курносой обезьяны (Rhinopithecus roxellana)» . GigaScience . 8 (8): giz098. DOI : 10,1093 / gigascience / giz098 . ISSN 2047-217X . PMC 6705546 . PMID 31437279 .   
  9. ^ а б Ян, Цзин; Варисс, Хафиз Мухаммад; Тао, Лидан; Чжан, Ренган; Юнь, Цюаньчжэн; Холлингсуорт, Питер; Дао, Чжилин; Ло, Гуйфэнь; Го, Хуэйцзюнь; Ма, Юнпэн; Вс, Вэйбан (2019-07-01). «Сборка de novo генома исчезающего вида Acer yangbiense, вида растений с чрезвычайно малочисленными популяциями, эндемичного для провинции Юньнань, Китай» . GigaScience . 8 (7). DOI : 10,1093 / gigascience / giz085 . PMC 6629541 . PMID 31307060 .  
  10. ^ Avise, Джон К. (апрель 2010). «Перспектива: генетика сохранения вступает в эру геномики» . Сохранение генетики . 11 (2): 665–669. DOI : 10.1007 / s10592-009-0006-у . ISSN 1566-0621 . 
  11. ^ Штайнер, Синтия С .; Putnam, Andrea S .; Hoeck, Paquita EA; Райдер, Оливер А. (январь 2013 г.). «Сохранение геномики видов животных, находящихся под угрозой исчезновения». Ежегодный обзор биологических наук о животных . 1 (1): 261–281. DOI : 10.1146 / annurev-animal-031412-103636 . ISSN 2165-8102 . PMID 25387020 .  
  12. ^ Фрэнкхэм, Ричард (сентябрь 2010 г.). «Вызовы и возможности генетических подходов к биологической консервации». Биологическая консервация . 143 (9): 1919–1927. DOI : 10.1016 / j.biocon.2010.05.011 . ISSN 0006-3207 . 
  13. ^ Шафер, Аарон BA; Вольф, Йохен Б.В.; Alves, Paulo C .; Бергстрём, Линнеа; Бруфорд, Майкл В .; Бреннстрем, Иоана; Коллинг, Гай; Дален, Любовь; Мистер, Люк Де; Экблом, Роберт; Фосетт, Кэти Д. (01.02.2015). «Геномика и сложный перевод в практику сохранения» . Тенденции в экологии и эволюции . 30 (2): 78–87. DOI : 10.1016 / j.tree.2014.11.009 . ЛВП : 10400,7 / 574 . ISSN 0169-5347 . PMID 25534246 .