Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Штрих-кодирование микробной ДНК - это использование штрих-кодирования мета- ДНК для характеристики смеси микроорганизмов .

Метабаркодирование ДНК - это метод штрих-кодирования ДНК, в котором используются универсальные генетические маркеры для идентификации ДНК смеси организмов. [1]

История [ править ]

Часть серии по
Штрих-кодирование ДНК
DNA Barcoding.png
 
Штрих- кодирование ДНК • Метабаркодирование
 
По таксонам
Другой

Использование метабаркодирования для оценки микробных сообществ имеет долгую историю. Еще в 1972 году Карл Вёзе , Митчелл Согин и Стивен Согин впервые попытались обнаружить несколько семейств внутри бактерий, используя ген 5S рРНК . [2] Всего несколько лет спустя новое древо жизни с тремя доменами было предложено снова Вёзе и его коллегами, которые первыми использовали небольшую субъединицу гена рибосомной РНК (SSU рРНК) для различения бактерий, архей и эукариоты . [3]Благодаря этому подходу ген SSU рРНК стал наиболее часто используемым генетическим маркером как для прокариот (16S рРНК), так и для эукариот ( 18S рРНК ). Утомительный процесс клонирования этих фрагментов ДНК для секвенирования ускорился за счет постоянного совершенствования технологий секвенирования. С разработкой HTS (High-Throughput-Sequencing) в начале 2000-х годов и возможностью обрабатывать эти массивные данные с использованием современной биоинформатики и кластерных алгоритмов исследование микробной жизни стало намного проще.

Генетические маркеры [ править ]

Генетическое разнообразие варьируется от вида к виду. Таким образом, можно идентифицировать различные виды путем восстановления короткой последовательности ДНК из стандартной части генома. Эта короткая последовательность определяется как последовательность штрих-кода. Требования к определенной части генома, служащей штрих-кодом, должны сильно отличаться между двумя разными видами , но не должны сильно отличаться в генах между двумя особями одного и того же вида, чтобы облегчить дифференциацию отдельных видов. [4] [5] И для бактерий, и для архей используется ген 16S рРНК / рДНК. Это общий ген домашнего хозяйстваво всех прокариотических организмах и поэтому используется в качестве стандартного штрих-кода для оценки прокариотического разнообразия. Для протистов используется соответствующий ген 18S рРНК / рДНК. [6] Чтобы различать разные виды грибов, используется область ITS ( Internal Transcribed Spacer ) рибосомного цистрона . [7]

Преимущества [ править ]

Существующее разнообразие микробного мира еще полностью не раскрыто, хотя мы знаем, что он в основном состоит из бактерий, грибов и одноклеточных эукариот. [4] Таксономическая идентификация микробных эукариот требует чрезвычайно квалифицированного опыта и часто затруднена из-за небольших размеров организмов, фрагментированных особей, скрытого разнообразия и загадочных видов . [8] [9] Кроме того, прокариоты не могут быть классифицированы таксономически с использованием традиционных методов, таких как микроскопия , потому что они слишком малы и морфологическинеразличимы. Следовательно, с помощью использования метабаркодирования ДНК можно идентифицировать организмы без таксономической экспертизы путем сопоставления коротких фрагментов генов, полученных с помощью высокопроизводительных последовательностей (HTS), с базой данных эталонных последовательностей, например NCBI . [10] Эти упомянутые качества делают штрих-кодирование ДНК экономичным, надежным и менее трудоемким методом, по сравнению с традиционными методами, для удовлетворения растущей потребности в крупномасштабных экологических оценках.

Приложения [ править ]

После первого использования Woese et al. Было проведено множество исследований, которые теперь охватывают множество приложений. Метабаркодирование используется не только в биологических или экологических исследованиях . Также в медицине и биологии человека используются бактериальные штрих-коды, например, для исследования микробиома и бактериальной колонизации кишечника человека у здоровых близнецов и близнецов с ожирением [11] или для сравнительных исследований состава кишечных бактерий новорожденных, детей и взрослых. [12] Кроме того, штрих-кодирование играет важную роль в биомониторинге, например, рек и ручьев [13] и восстановлении пастбищ. [14]Природоохранная паразитология, экологическая паразитология и палеопаразитология также полагаются на штриховое кодирование как на полезный инструмент в исследовании болезней и борьбе с ними. [15]

Цианобактерии [ править ]

Цианобактерии - это группа фотосинтезирующих прокариот . Подобно другим прокариотам, таксономия цианобактерий с использованием последовательностей ДНК в основном основана на сходстве внутри рибосомного гена 16S . [16] Таким образом, наиболее распространенным штрих-кодом, используемым для идентификации цианобактерий, является маркер 16S рДНК . Хотя трудно определить виды в прокариотических организмах, маркер 16S можно использовать для определения отдельных операционных таксономических единиц (OTU). В некоторых случаях эти OTU также могут быть связаны с традиционно определенными видами и, следовательно, могут считаться надежным представлением эволюционногоотношения. [17]

Цианобактерии из рода Dolichospermum под микроскопом.

Однако при анализе таксономической структуры или биоразнообразия всего сообщества цианобактерий (см. Метабаркодирование ДНК ) более информативным является использование маркеров, специфичных для цианобактерий. Универсальные бактериальные праймеры 16S успешно использовались для выделения рДНК цианобактерий из образцов окружающей среды , но они также восстанавливают многие бактериальные последовательности. [18] [19] Использование специфичных для цианобактерий [20] или фито-специфичных маркеров 16S обычно используется только для изучения цианобактерий. [21]Несколько наборов таких праймеров были протестированы на предмет штрих-кодирования или метабаркодирования образцов окружающей среды и дали хорошие результаты, выявив большинство нефотосинтетических или нецианобактериальных организмов. [22] [21] [23] [24]

Количество секвенированных геномов цианобактерий, доступных в базах данных, увеличивается. [25] Помимо маркера 16S, филогенетические исследования могли бы включать также больше вариабельных последовательностей, таких как последовательности генов, кодирующих белок (gyrB, rpoC, rpoD, [26] rbcL, hetR, [27] psbA, [28] [29]). rnpB, [30] nifH, [31] nifD [32] ), внутренний транскрибируемый спейсер генов рибосомной РНК (16S-23S рРНК-ITS) [33] [25] или межгенный спейсер фикоцианина (PC-IGS). [33] Однако nifD и nifH могут использоваться только для идентификации азотфиксирующих штаммов цианобактерий.

ДНК-штрих-кодирование цианобактерий может применяться в различных экологических, эволюционных и таксономических исследованиях. Некоторые примеры включают оценку разнообразия цианобактерий и структуры сообщества [34], выявление вредоносных цианобактерий в экологически и экономически важных водоемах [35] и оценку цианобактериальных симбионтов у морских беспозвоночных . [24] Он может использоваться в качестве части обычных программ мониторинга наличия цианобактерий, а также для раннего обнаружения потенциально токсичных видов в водоемах. Это может помочь нам обнаружить вредные виды до того, как они начнут распускаться.и таким образом улучшить наши стратегии управления водными ресурсами. Идентификация видов на основе ДНК окружающей среды может быть особенно полезной для цианобактерий, поскольку традиционная идентификация с помощью микроскопии является сложной задачей. Их морфологические характеристики, лежащие в основе разграничения видов, различаются в зависимости от условий произрастания. [20] [36] Идентификация под микроскопом также требует много времени и, следовательно, относительно дорого. Молекулярные методы могут обнаруживать гораздо более низкую концентрацию цианобактериальных клеток в образце, чем традиционные методы идентификации.

Справочные базы данных [ править ]

Справочная база данных - это набор последовательностей ДНК, которые относятся к виду или функции. Его можно использовать для связывания молекулярно полученных последовательностей организма с уже существующей таксономией. Общие базы данных, такие как платформа NCBI, включают все виды последовательностей, либо полные геномы, либо специфические маркерные гены всех организмов. Существуют также различные платформы, на которых хранятся только последовательности из отдельной группы организмов, например база данных UNITE [37] исключительно для последовательностей грибов или база данных PR2 исключительно для последовательностей рибосом простейших. [38] Некоторые базы данных курируются, что позволяет проводить таксономическое присвоение с большей точностью, чем использование неконтролируемых баз данных в качестве справочных.

См. Также [ править ]

  • Консорциум штрих-кода жизни
  • Штрих-кодирование ДНК водорослей
  • Штрих-кодирование ДНК
  • Штрих-кодирование ДНК при оценке диеты
  • Штрих-кодирование ДНК рыб

Ссылки [ править ]

  1. ^ Elbrecht В, Р Leese (8 июля 2015 г.). «Могут ли оценки экосистем на основе ДНК определять численность видов? Проверка смещения праймеров и взаимосвязей между биомассой и последовательностью с помощью инновационного протокола метабаркода» . PLOS ONE . 10 (7): e0130324. Bibcode : 2015PLoSO..1030324E . DOI : 10.1371 / journal.pone.0130324 . PMC  4496048 . PMID  26154168 .
  2. ^ Sogin SJ, Sogin ML, Вёзе CR (июнь 1972). «Филогенетические измерения прокариот по первичной структурной характеристике». Журнал молекулярной эволюции . 1 (2): 173–84. Bibcode : 1972JMolE ... 1..173S . DOI : 10.1007 / BF01659163 . PMID 24173440 . S2CID 3666143 .  
  3. ^ Вёзе CR, Kandler O, Уилис ML (июнь 1990). «К естественной системе организмов: предложение о доменах архей, бактерий и эукариев» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 87 (12): 4576–9. Bibcode : 1990PNAS ... 87.4576W . DOI : 10.1073 / pnas.87.12.4576 . PMC 54159 . PMID 2112744 .  
  4. ^ а б Чакраборти С., Досс К.Г., Патра Британская Колумбия, Бандйопадхьяй С. (апрель 2014 г.). «Штрих-кодирование ДНК для отображения микробных сообществ: текущие достижения и будущие направления». Прикладная микробиология и биотехнология . 98 (8): 3425–36. DOI : 10.1007 / s00253-014-5550-9 . PMID 24522727 . S2CID 17591196 .  
  5. ^ Hajibabaei М, Singer Г.А., Clare Е.Л., Эбер PD (июнь 2007). «Дизайн и применимость массивов ДНК и штрих-кодов ДНК в мониторинге биоразнообразия» . BMC Biology . 5 (1): 24. DOI : 10.1186 / 1741-7007-5-24 . PMC 1906742 . PMID 17567898 .  
  6. ^ Gardham S, шланг ГХ, Стефенсон S, Харитон А.А. (2014). «Метабаркодирование ДНК встречает экспериментальную экотоксикологию». Большие данные в экологии . Успехи в экологических исследованиях. 51 . С. 79–104. DOI : 10.1016 / B978-0-08-099970-8.00007-5 . ISBN 978-0-08-099970-8.
  7. ^ Creer S, Deiner K, S Frey, Porazinska D, Taberlet P, Томас WK, Поттер C, Бик HM (сентябрь 2016). «Полевое руководство эколога по последовательной идентификации биоразнообразия» (PDF) . Методы экологии и эволюции . 7 (9): 1008–1018. DOI : 10.1111 / 2041-210X.12574 .
  8. ↑ Bickford D, Lohman DJ, Sodhi NS, Ng PK, Meier R, Winker K, Ingram KK, Das I (март 2007). «Загадочные виды как окно в разнообразие и сохранение» (PDF) . Тенденции в экологии и эволюции . 22 (3): 148–55. DOI : 10.1016 / j.tree.2006.11.004 . PMID 17129636 .  
  9. ^ Sáez AG, Лозано E (январь 2005). «Тело двойники». Природа . 433 (7022): 111. Bibcode : 2005Natur.433..111S . DOI : 10.1038 / 433111a . PMID 15650721 . S2CID 4413395 .  
  10. Перейти ↑ Keeley N, Wood SA, Pochon X (февраль 2018 г.). «Разработка и предварительная валидация мультитрофического индекса биотического кодирования для мониторинга обогащения бентосной органикой». Экологические показатели . 85 : 1044–1057. DOI : 10.1016 / j.ecolind.2017.11.014 .
  11. ^ Turnbaugh PJ, Хамади М, Yatsunenko Т, Cantarel Б.Л., Дункан А, Лей RE, Соджин М. Л., Джонс WJ, Роу Б.А., Affourtit ДП, Egholm М, Henrissat В, Хит переменного тока, рыцарь R, Гордон ПСО (январь 2009). «Основной микробиом кишечника у тучных и худых близнецов» . Природа . 457 (7228): 480–4. Bibcode : 2009Natur.457..480T . DOI : 10,1038 / природа07540 . PMC 2677729 . PMID 19043404 .  
  12. ^ Yatsunenko Т, Рей FE, Manary МДж, Trehan я, Домингес-Белло М.Г., Контрерас М, Magris М, Идальго G, Baldassano Р.Н., Анохин А.П., Хит переменный ток, Уорнер В, Ридер Дж, Кучинский Дж, Caporaso Ю.Г., Lozupone СА , Лаубер С., Клементе Дж. К., Рыцари Д., Рыцарь Р., Гордон Дж. И. (май 2012 г.). «Микробиом кишечника человека в зависимости от возраста и географии» . Природа . 486 (7402): 222–7. Bibcode : 2012Natur.486..222Y . DOI : 10.1038 / nature11053 . PMC 3376388 . PMID 22699611 .  
  13. ^ Васселон В, Римэ Ж, Tapolczai К, Бушез А (ноябрь 2017). «Оценка экологического состояния с помощью метабаркодирования ДНК диатомовых водорослей: расширение сети мониторинга ВРД (остров Майотта, Франция)». Экологические показатели . 82 : 1–12. DOI : 10.1016 / j.ecolind.2017.06.024 .
  14. ↑ Guo Y, Hou L, Zhang Z, Zhang J, Cheng J, Wei G, Lin Y (12 марта 2019 г.). «Разнообразие почвенных микробов в течение 30 лет восстановления пастбищ на Лессовом плато: тесная связь с разнообразием растений». Деградация земель и развитие . DOI : 10.1002 / ldr.3300 .
  15. ↑ Morand S (апрель 2018 г.). «Достижения и проблемы в штриховом кодировании микробов, паразитов, их переносчиков и резервуаров» . Паразитология . 145 (5): 537–542. DOI : 10.1017 / S0031182018000884 . PMID 29900810 . 
  16. ^ Rosselló-Mora R (сентябрь 2005). «Обновление таксономии прокариот» . Журнал бактериологии . 187 (18): 6255–7. DOI : 10.1128 / JB.187.18.6255-6257.2005 . PMC 1236658 . PMID 16159756 .  
  17. ^ Экертом Е.М., Fontaneto Д, COCI М, Callieri С (декабрь 2014). «Есть ли пробел в штрих-коде у прокариот? Доказательства разграничения видов у цианобактерий» . Жизнь . 5 (1): 50–64. DOI : 10,3390 / life5010050 . PMC 4390840 . PMID 25561355 .  
  18. ^ Rappe MS, MT Suzuki, Девственные KL, Giovannoni SJ (январь 1998). «Филогенетическое разнообразие генов малых субъединиц рРНК пластид ультрапланктона, извлеченных в образцах нуклеиновых кислот окружающей среды с Тихоокеанского и Атлантического побережья США» . Прикладная и экологическая микробиология . 64 (1): 294–303. DOI : 10,1128 / AEM.64.1.294-303.1998 . PMC 124708 . PMID 9435081 .  
  19. ^ Ван - дер - Гухтом K, T, Vandekerckhove Vloemans N, S, кузене Muylaert K, Sabbe K, M, Gillis Declerk S, De Меестер L, Vyverman W (июль 2005 г.). «Характеристика бактериальных сообществ в четырех пресноводных озерах, различающихся по питательной нагрузке и структуре пищевой сети» . FEMS Microbiology Ecology . 53 (2): 205–20. DOI : 10.1016 / j.femsec.2004.12.006 . PMID 16329941 . 
  20. ^ a b Nübel U, Garcia-Pichel F, Muyzer G (август 1997 г.). «Праймеры для ПЦР для амплификации генов 16S рРНК цианобактерий» . Прикладная и экологическая микробиология . 63 (8): 3327–32. DOI : 10,1128 / AEM.63.8.3327-3332.1997 . PMC 168636 . PMID 9251225 .  
  21. ^ a b Стиллер Дж. У., МакКланахан А. Н. (март 2005 г.). «Фитоспецифичные праймеры для ПЦР 16S рДНК для восстановления последовательностей водорослей и растений из смешанных образцов». Заметки о молекулярной экологии . 5 (1): 1–3. DOI : 10.1111 / j.1471-8286.2004.00805.x .
  22. ^ Betournay S, Marsh AC, Donello N Стиллер JW (июнь 2007). «Селективное извлечение микроводорослей из различных местообитаний с использованием« фитоспецифичных »праймеров 16S рДНК». Журнал психологии . 43 (3): 609–613. DOI : 10.1111 / j.1529-8817.2007.00350.x . S2CID 84399666 . 
  23. ^ Boutte C, Grubisic S, Balthasart P, Wilmotte A (июнь 2006 г.). «Тестирование праймеров для изучения молекулярного разнообразия цианобактерий с помощью DGGE» . Журнал микробиологических методов . 65 (3): 542–50. DOI : 10.1016 / j.mimet.2005.09.017 . PMID 16290299 . 
  24. ↑ a b López-Legentil S, Song B, Bosch M, Pawlik JR, Turon X (22 августа 2011 г.). «Разнообразие цианобактерий и новый акариохлоридоподобный симбионт из багамских морских сквиртов» . PLOS ONE . 6 (8): e23938. Bibcode : 2011PLoSO ... 623938L . DOI : 10.1371 / journal.pone.0023938 . PMC 3161822 . PMID 21915246 .  
  25. ^ a b Ютершек М., Клеменчич М., Долинар М. (декабрь 2017 г.). «Дискриминация между членами Synechocystis (цианобактерии) на основе гетерогенности их 16S рРНК и ее областей» . Acta Chimica Slovenica . 64 (4): 804–817. DOI : 10,17344 / acsi.2017.3262 . PMID 29318299 . 
  26. Перейти ↑ Seo PS, Yokota A (июнь 2003 г.). «Филогенетические взаимоотношения цианобактерий на основе последовательностей генов 16S рРНК, gyrB, rpoC1 и rpoD1» . Журнал общей и прикладной микробиологии . 49 (3): 191–203. DOI : 10,2323 / jgam.49.191 . PMID 12949700 . 
  27. ^ Tomitani A, Knoll AH, Кавано CM, Ohno T (апрель 2006). «Эволюционная диверсификация цианобактерий: молекулярно-филогенетические и палеонтологические перспективы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (14): 5442–7. Bibcode : 2006PNAS..103.5442T . DOI : 10.1073 / pnas.0600999103 . PMC 1459374 . PMID 16569695 .  
  28. ^ Hess WR, Weihe A, Loiseaux-де - ходок S, Partensky F, Vaulot D (март 1995). «Характеристика единственного гена psbA Prochlorococcus marinus CCMP 1375 (Prochlorophyta)». Молекулярная биология растений . 27 (6): 1189–96. DOI : 10.1007 / BF00020892 . PMID 7766900 . S2CID 26973191 .  
  29. ↑ Морден CW, Golden SS (январь 1989 г.). «Гены psbA указывают на общее происхождение прохлорофитов и хлоропластов». Природа . 337 (6205): 382–5. Bibcode : 1989Natur.337..382M . DOI : 10.1038 / 337382a0 . PMID 2643058 . S2CID 4275907 .  
  30. ^ Vioque A (сентябрь 1997). «РНК РНКазы Р из цианобактерий: короткие тандемно повторяющиеся повторяющиеся последовательности (STRR) присутствуют в гене РНК РНКазы Р у цианобактерий, образующих гетероцисты» . Исследования нуклеиновых кислот . 25 (17): 3471–7. DOI : 10.1093 / NAR / 25.17.3471 . PMC 146911 . PMID 9254706 .  
  31. ^ Zehr JP, Mellon MT, Hiorns WD (апрель 1997). «Филогения генов цианобактерий nifH: эволюционные последствия и потенциальные приложения к естественным скоплениям» . Микробиология . 143 (Pt 4) (4): 1443–50. DOI : 10.1099 / 00221287-143-4-1443 . PMID 9141707 . 
  32. ^ Henson BJ, Hesselbrock С.М., Уотсон LE, Барнум SR (март 2004). «Молекулярная филогения гетероцистных цианобактерий (подразделы IV и V) на основе nifD» . Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 54 (Pt 2): 493–7. DOI : 10.1099 / ijs.0.02821-0 . PMID 15023966 . 
  33. ^ a b Piccin-Santos V, Brandão MM, Bittencourt-Oliveira M (август 2014 г.). Габриельсон П. (ред.). «Филогенетическое исследование Geitlerinema и Microcystis (Cyanobacteria) с использованием PC-IGS и 16S-23S ITS в качестве маркеров: исследование горизонтального переноса генов». Журнал психологии . 50 (4): 736–43. DOI : 10.1111 / jpy.12204 . PMID 26988457 . S2CID 37954121 .  
  34. ^ Dadheech ПК, Glöckner G, Каспер Р, Котут К, Маццони CJ, Mbedi S, Krienitz л (август 2013 г. ). «Разнообразие цианобактерий в горячих источниках, пелагических и бентических средах обитания тропического содового озера» . FEMS Microbiology Ecology . 85 (2): 389–401. DOI : 10.1111 / 1574-6941.12128 . PMID 23586739 . 
  35. ^ Kurobe T, Baxa DV, Mioni CE, Kudela RM, Смайт TR, Waller S, Chapman AD, Teh SJ (2013). «Идентификация вредоносных цианобактерий в дельте Сакраменто-Сан-Хоакин и Клир-Лейк, Калифорния, с помощью штрих-кодирования ДНК» . SpringerPlus . 2 (1): 491. DOI : 10,1186 / 2193-1801-2-491 . PMC 3797325 . PMID 24133644 .  
  36. ^ Gugger M, Lyra C, P Хенриксен, Couté А, Гумберт JF, Sivonen K (сентябрь 2002). «Филогенетическое сравнение родов цианобактерий Anabaena и Aphanizomenon» . Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 52 (Pt 5): 1867–80. DOI : 10.1099 / 00207713-52-5-1867 . PMID 12361299 . 
  37. ^ "ОБЪЕДИНЯЙТЕСЬ" . unite.ut.ee . Проверено 28 марта 2019 .
  38. ^ Guillou L, Bachar D, Audic S, Bass D, Berney C, Bittner L и др. (Январь 2013). «Справочная база данных рибосом протистов (PR2): каталог последовательностей малых субъединиц рРНК одноклеточных эукариот с тщательно подобранной таксономией» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (Выпуск базы данных): D597–604. DOI : 10.1093 / NAR / gks1160 . PMC 3531120 . PMID 23193267 .