Филогеномика - это пересечение областей эволюции и геномики . [1] Этот термин использовался по-разному для обозначения анализа, который включает данные генома и эволюционные реконструкции. Это группа методов в более широких областях филогенетики и геномики. Филогеномика извлекает 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 латерального переноса генов .
Прогнозирование функции гена
Когда Джонатан Эйзен впервые придумал филогеномику , она применялась 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 схожими последовательностями, но разными функциями, этот метод сам по себе 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 восстанавливать несовпадающую 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 у H. pylori отсутствуют другие гены, которые, как считается, необходимы для этой функции (в частности, члены семейства MutL). Эйзен предложил решение этого очевидного несоответствия - филогенетические деревья генов в семействе MutS показали, что ген, обнаруженный в H. pylori, не принадлежит к тому же подсемейству, что и те, которые, как известно, участвуют в репарации несовпадений. [3] Кроме 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, похожими из-за латерального переноса генов, и генами, которые похожи, потому что организмы имели общего предка. Сравнивая большое количество генов или целые геномы у многих видов, можно идентифицировать перенесенные гены, поскольку эти последовательности ведут себя иначе, чем ожидалось с учетом таксономии 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 или 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 восстановительной эволюции , например, у внутриклеточных паразитов или симбионтов. События полной дупликации генома , 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 с помощью филогеномных методов.
Установление эволюционных отношений
Традиционные исследования одного гена эффективны при установлении филогенетических деревьев среди близкородственных организмов, но имеют недостатки при сравнении более отдаленных родственных организмов или микроорганизмов. Это происходит из-за латерального переноса генов , конвергенции и различной скорости эволюции разных генов. Используя полные геномы в этих сравнениях, аномалии, созданные из этих факторов, подавляются закономерностью эволюции, обозначенной большинством данных. [9] [10] [11] С помощью филогеномики было обнаружено, что большинство фотосинтезирующих эукариот связаны и, возможно, имеют одного предка. Исследователи сравнили 135 генов 65 различных видов фотосинтезирующих организмов. К ним относятся растения , альвеоляты , ризарии , гаптофиты и криптомонады . [12] Это было названо мегагруппой Plants + HC + SAR . 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
Смотрите также
Рекомендации
- ^ BioMed Central | Полный текст | Обзор Первой конференции по филогеномике
- ^ Pennisi, Элизабет (27 июня 2008). «Строим древо жизни, геном по геному». Наука . 320 (5884): 1716–1717. DOI : 10.1126 / science.320.5884.1716 . PMID 18583591 .
- ^ а б Эйзен Дж. А., Кайзер Д., Майерс Р. Л. (1997). «Гастрогеномные изыски: праздник подвижный» . Nat. Med . 3 (10): 1076–8. DOI : 10.1038 / nm1097-1076 . PMC 3155951 . PMID 9334711 .
- ^ 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 C, 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 желудочного патогена Helicobacter pylori» . Природа . 388 (6642): 539–47. DOI : 10.1038 / 41483 . PMID 9252185 .
- ^ Эйзен Дж. А. (1998). «Филогеномика: улучшение функциональных предсказаний для не охарактеризованных генов с помощью эволюционного анализа» . Genome Res . 8 (3): 163–7. DOI : 10.1101 / gr.8.3.163 . PMID 9521918 .
- ^ Brown D, Sjölander K (июнь 2006 г.). «Функциональная классификация с использованием филогеномного вывода» . PLOS Comput. Биол . 2 (6): e77. DOI : 10.1371 / journal.pcbi.0020077 . PMC 1484587 . PMID 16846248 .
- ^ Sjölander K (январь 2004 г.). «Филогеномный вывод молекулярной функции белков: достижения и проблемы» (PDF) . Биоинформатика . 20 (2): 170–9. DOI : 10.1093 / биоинформатики / bth021 . PMID 14734307 .
- ^ 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. DOI : 10.1186 / ГБ-2009-10-4-r36 . PMC 2688927 . PMID 19368726 .
- ^ Делсук Ф, Бринкманн Х, Филипп Х (2005). «Филогеномика и реконструкция древа жизни». Nat Rev Genet . 6 (5): 361–75. CiteSeerX 10.1.1.333.1615 . DOI : 10.1038 / nrg1603 . PMID 15861208 .
- ^ Philippe H, Snell EA, Bapteste E, Lopez P, Holland PW, Casane D "Филогеномика эукариот: влияние отсутствующих данных на большие выравнивания" Mol Biol Evol 2004 Sep; 21 (9): 1740-52.
- ^ Джеффрой О., Бринкманн Х., Делсук Ф., Филипп Х. (апрель 2006 г.). «Филогеномика: начало несоответствия?». Тенденции в генетике . 22 (4): 225–31. DOI : 10.1016 / j.tig.2006.02.003 . PMID 16490279 .
- ^ 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. DOI : 10.1098 / RSBL.2008.0224 . PMC 2610160 . PMID 18522922 .
- ^ Dos Reis, M .; Inoue, J .; Hasegawa, M .; Asher, RJ; Донохью, PCJ; 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. DOI : 10.1098 / rspb.2012.0683 . PMC 3396900 . PMID 22628470 .
- ^ Кобер, КМ; Бернарди, Г. (2013). «Филогеномика стронгилоцентротидных морских ежей» . BMC Evolutionary Biology . 13 : 88. DOI : 10.1186 / 1471-2148-13-88 . PMC 3637829 . PMID 23617542 .
- ^ Филипп, Эрве; Делсук, Фредерик; Бринкманн, Хеннер; Лартильо, Николас (2005). «Филогеномика». Ежегодный обзор экологии, эволюции и систематики . 36 : 541–562. DOI : 10.1146 / annurev.ecolsys.35.112202.130205 .