Məlumat

Natamam zülaldan populyasiyanın genetik analizi edə bilərəmmi?

Natamam zülaldan populyasiyanın genetik analizi edə bilərəmmi?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Məndə fasta ardıcıllığı verilənlər bazası var. Bu zülallar tam deyil (Mənim ardıcıllığımda 700 nukleotid var, tam ardıcıllıqda isə 1725 nukleotid var) Bilmək istərdim ki, ondan populyasiya genetik analizi edə bilərəmmi (TAJIMA-D testi kimi) və buna bənzər.


Hansı növ analiz etmək istədiyinizdən çox asılıdır. Tajima D üçün sizə lazım olan tək bir fərd nümunəsində tək nukleotid ardıcıllığıdır, buna görə də edə bilərsiniz. Ardıcıllığın bir gendən və ya hər hansı digər ardıcıllıqdan gəlib-gəlməməsi Tajimanın D-ni hesablaya bilməyinizə aidiyyatı yoxdur (baxmayaraq ki, ardıcıllığın növü nəticədə yaranan D-yə təsir edəcək).


Genetik tədqiqatda müxtəlifliyin olmaması problemdir

Kimberli Karni / Fred Hutch Xəbər Xidməti tərəfindən illüstrasiya

İnsan Genomu Layihəsi 2003-cü ildə tamamlandıqda, onun ən yaxşı tədqiqatçısı Dr.

Collins və ümumiyyətlə elm o vaxtdan bəri bunun a kobud töhfələrin əksəriyyəti Avropa mənşəli insanlar tərəfindən "yazıldı" ilk qaralama.

Genetika tədqiqatlarında müxtəlifliyin olmaması - bu yaxınlarda Cell kimi jurnallarda səsləndi və PBS-də işıqlandırıldı - bu həftə Fred Hutchinson-da genetiklər, epidemioloqlar və biostatistiklərin rəhbərlik etdiyi tədqiqatçılar konsorsiumunun hərtərəfli çoxmərkəzli təhlili ilə yenidən vurğulandı. Xərçəng Araşdırma Mərkəzi. Onların tapıntıları çərşənbə günü Nature jurnalında dərc olunub.

PAGE (Genomika və Epidemiologiyadan istifadə edən Əhali Memarlığının qısaltması) adlı konsorsium, digər şeylərlə yanaşı, İnsan Genomu Layihəsinin “qaralama” nəticələrinin əcdadlar arasında ümumiləşdirilə biləcəyini müəyyən etmək üçün qeyri-Avropa mənşəli 50,000 ABŞ iştirakçısının məlumatlarını təhlil etdi. qruplar.

Qısa cavab: Bacarmazlar.

Bu yeni analiz daha çox sübut tapdı ki, geniş miqyaslı genomik tədqiqatlar - dərmanların hazırlanmasından tutmuş bir fərdin xəstəlik riskinin müəyyən edilməsinə qədər hər şey üçün istifadə olunur - bütün populyasiyalarda genetika ilə əlaqəli xəstəlik risklərini dəqiq şəkildə təmsil etmək üçün müxtəlif, çox etnik populyasiyaları əhatə etməlidir. Bunu etməmək aldadıcıdır və potensial təhlükəlidir.

Fred Hutch's Dr. Ulrike "Riki" Peters, PAGE layihəsində baş alim. Uzun müddət davam edən çoxmərkəzli tədqiqat layihəsi yeni bir məqalədə genetik tədqiqatlarda müxtəlifliyin olmamasını vurğuladı. Fred Hutch fayl şəkli

"Genetik tədqiqatlar əsasən Avropa mənşəli populyasiyalarda aparılır ki, bu da müəyyən edilmiş genetik risk variantlarında qərəzliliyə səbəb olur" dedi Fred Hutch-in İctimai Səhiyyə Elmləri Şöbəsinin direktor müavini və baş alim Dr. Ulrike "Riki" Peters PAGE layihəsi. "Biz qərəzliyi nümayiş etdiririk və bunun qeyri-Avropalı azlıqların əhalisini öyrənməklə düzəldilə biləcəyini nümayiş etdiririk."

The Hutch-in digər baş müəllifi Dr. Chris Carlson, PAGE komandasının əsasən Avropa mənşəli insanların mövcud poligenik və ya genetik risk skorlarının (xəstəlik riskini proqnozlaşdırmaq üçün istifadə edilən genetik risk variantlarına əsaslanan xal) ekstrapolyasiya edilə biləcəyini müəyyən etməyə çalışdığını söylədi. azlıqlara dəqiqliklə.

"Növbəti nəsil dərmanlara sahib olacaqsınızsa və poligenik risk balları əldə edəcəksinizsə, bu risk balları fərdin genetik əcdadının nə olmasından asılı olmayaraq eyni dərəcədə dəqiq olmalıdır" dedi. “Və onlar deyil.

"Bizim araşdırmamız genişmiqyaslı real məlumatların təhlili ilə sübut edir ki, bu risk balları qeyri-Avropa populyasiyalarında aşağı səviyyədədir. Bu kağızı vacib edən də budur”.

Natamam məlumat... hər kəs haqqında

İnsan Genomu Layihəsi əksəriyyəti Avropa mənşəli olan bir ovuc könüllünün genetik ardıcıllığına əsaslanırdı, ona görə də ilkin məlumatların məhdud olması müəyyən məna kəsb edir. Elmi nöqteyi-nəzərdən bu, son dərəcə problemlidir - xüsusən də genom üzrə assosiasiya tədqiqatları və ya GWAS, ilk növbədə eyni populyasiyadan məlumat toplamağa davam edir.

Təbiətdə və başqa yerlərdə yaxşı sənədləşdirilmiş araşdırmalara görə, GWAS-da istifadə edilən məlumatların təxminən 78 faizi Avropa mənşəli insanlardan gəlir. Lakin bu xüsusi qrup dünya əhalisinin yalnız 16 faizini təşkil edir.

Bizim genomumuz ətraf mühit və bioloji siqnallara cavab olaraq daim dəyişdiyi və təkamül etdiyi üçün insandan insana və əhalidən əhaliyə həmişə genetik variasiya var. Bəzi genetik variantlar tamamilə əhəmiyyətsizdir, digərləri insanın sağlamlığına dərin təsir göstərə bilər (tək genli və ya Mendel xəstəlikləri, Huntington xəstəliyi kimi).

Daha tez-tez yüzlərlə və hətta minlərlə gendə kiçik dəyişikliklər müəyyən bir xəstəlik üçün risk və ya ondan qorunma əlavə edə bilər. Xəstəlikdə iştirak edən gen mutasiyalarını və ya variantlarını müəyyən edən GWAS tədqiqatları mürəkkəb əlamətlərin biologiyası, dərmanların inkişafı və hətta kliniki təlimatların araşdırılması üçün əsasdır.

Ancaq bu tədqiqatlarda istifadə edilən genetik məlumatlar bir populyasiya ilə məhdudlaşırsa - Avropa mənşəli insanlar - o zaman çoxlu sayda genetik variantları yoxdur, çünki ya Avropa mənşəli insanlarda yoxdur, ya da mövcuddur, lakin yalnız aşağı tezliklər.

Fred Hutch-da Biostatistika Proqramının rəhbəri Dr. Çarlz Kooperberq yeni nəşr olunmuş tədqiqatın başqa bir baş müəllifi idi. Fred Hutch fayl şəkli

Bu o deməkdir ki, həmin variantlar əsasında hazırlanmış müalicələr və dərmanlar, çox güman ki, eyni əcdadı paylaşan insanlarda ən yaxşı şəkildə işləyəcək. Ürək-damar xəstəlikləri, diabet, oraq hüceyrəli anemiya, xərçəng və digər xəstəliklər üçün genetik riskimizi hesablamaq üçün istifadə edilən poligen risk balları əhalinin böyük təbəqələri üçün daha az dəyərlidir və daha az dəqiqdir.

Hutch-in Biostatistika Proqramının rəhbəri Dr. Çarlz Kooperberq deyir: “Kommersiya DNT testləri sizə ürək xəstəliyi, dırnaq batması və ya hər hansı bir riskinizin nə olduğunu söyləyəcək, lakin bu risk balları Avropa əsilli insanların nəticələrinə əsaslanır”. başqa bir böyük müəllif. "Beləliklə, proqnozlar avropalılar üçün daha doğrudur."

Daha da narahatedicidir: Bu qərəzlilik indi sistemə daxil olub və mövcud xəstəlikləri və səhiyyə sahəsində fərqləri gücləndirərək daha çox insana zərər verə bilər.

Tədqiqat üzərində işləyən Hutch işçi alimi Stephanie Bien, "Ortaq biologiya olsa da, mövcud modellər qeyri-dəqiqdir" dedi. “Və onlar daha çox Avropalı deyilsinizsə, qeyri-dəqiq. Sən oxumalısan hamısı ilə əlaqəli olan şeyləri görmək üçün əhali hamısı əhali”.

SƏHİFƏ tamamlanır

On il əvvəl yaradılmış və Milli Sağlamlıq İnstitutunun Milli İnsan Genomu Tədqiqat İnstitutu tərəfindən maliyyələşdirilən PAGE konsorsiumu bizim “epidemioloji arxitekturamız”, yəni kimin hansı xəstəliyə daha çox meylli olduğu ilə bağlı yüksək güclü tapıntılar çıxarmaq üçün tədqiqat iştirakçılarının böyük qruplarını birləşdirir. və ya sağlamlıq problemi və ya unikal genetik quruluşuna görə kimlər bundan qoruna bilər.

PAGE bu təhlil üçün bir neçə böyük tədqiqatın qruplarından istifadə etdi, o cümlədən Qadın Sağlamlığı Təşəbbüsü, İspan İcma Sağlamlığının Tədqiqi / Latın Amerikasının Tədqiqi (HCHS/SOL), Kaliforniya və Havay mənbəli Multietnik Kohort (MEC) və BioMe™ BioBank.

Bütün məlumatlara görə, qrup 22,216 özünü müəyyən edən İspan/Latın əsilli 17,299 Afrikalı Amerikalı, 4,680 Asiyalı, 3,940 Yerli Havaylı, 652 Yerli Amerikalı və 1,052 özünü başqa kimi tanıdan fərdləri təmsil edirdi.

PAGE komandası, hər bir insanın genetik əcdadının hər birinə necə təsir etdiyini görmək üçün 50.000 çoxmillətli iştirakçı daxilində 26 ayrı klinik və davranış fenotipindən və ya xüsusiyyətlərindən ibarət GWAS-ı həyata keçirdi. Bu xüsusiyyətlər boydan bel-kalça nisbətinə, oruc tutmaq üçün insulin səviyyəsinə, ağ qan hüceyrələrinin sayına, yüksək və ya aşağı sıxlıqlı lipoproteinlərə (aka HDL və LDL) və qəhvə istehlakına qədər hər şeyi əhatə edirdi.

Tədqiqatçılar çox etnik genotipləşdirmə massivi (MEGA) kimi tanınan alətdən istifadə edərək, diabet, insult, piylənmə və ürək-damar xəstəlikləri də daxil olmaqla bir çox mürəkkəb xəstəliklərin genetik əsaslarını daha dərindən bioloji şəkildə başa düşə bildilər. Onlar həmçinin irəliyə doğru hərəkət edən müxtəlif populyasiyalardakı genetik assosiasiyaları təhlil etmək üçün plan yaratdılar və 27 yeni əlamət-variant assosiasiyasını müəyyən etdilər.

"Gözlədiyimiz kimi, əvvəllər kifayət qədər təmsil olunmayan populyasiyaları araşdıraraq, əlamətlərin genetik arxitekturası haqqında anlayışımızı daha da gücləndirən və müxtəlif populyasiyaların bu tədqiqatlara daxil edilməsinin vacibliyini vurğulayan yeni əcdadlara xas birliklər tapdıq" dedi Peters.

Fred Hutch işçi alimi Stephanie Bien Fred Hutch fayl şəkli

Xəstəliklər populyasiyalarda necə fərqlənir

Alimlər daha böyük protein hemoglobinin tərkib hissəsi olan beta-qlobinin hazırlanması üçün təlimat verən HBB genində belə bir variant tapdılar. HBB oraq hüceyrəli anemiyada rolu və diabetdə qlükoza nəzarətini yoxlamaq üçün istifadə edilən bəzi HbA1c analizlərinin performansına təsir etmək qabiliyyəti ilə tanınır.

Tədqiqatçılar bu variantı İspan/Latın amerikalılarda kəşf etdilər, halbuki əvvəllər bu, yalnız afro-amerikalılarda bildirilmişdi.

Bu o deməkdir ki, bu variantla İspan/Latın amerikalılar üzərində aparılan testlər “potensial olaraq praktikantların xəstənin qlükoza nəzarətinə nail olduğuna və 2-ci tip diabetin ağırlaşma riskini artırdığına yanlış inanmasına səbəb ola bilər” dedilər.

C-reaktiv zülal və ya CRP - müxtəlif iltihabla əlaqəli xəstəlikləri və vəziyyəti (infeksiya, lupus, revmatoid artrit və s.) aşkar etmək, diaqnoz qoymaq və müalicə etmək üçün istifadə olunan qanda olan biomarker - ümumi testlərin nəticələrinin ola biləcəyi başqa bir nümunə idi. müəyyən populyasiyalarda əyilmişdir.

Hutch işçi alimi Bien, "Afrika mənşəli olanların C-reaktiv zülal səviyyəsini aşağı salan bir genetik variant daşıma ehtimalı daha yüksəkdir" dedi. "Deməli, siz romatoid artritdən əziyyət çəkirsiniz, lakin CRP səviyyələriniz diaqnostik meyarlardan aşağıdır, yəni sizə lazım olan dərmanlar təyin edilməyəcək. HBA1c ilə olduğu kimi, sizdə heç bir əsas xəstəliyin olmadığını düşünə bilərsiniz. Ancaq əslində bu xüsusi biomarkeri maskalayan və ya təhrif edən bir genetik variantınız var.

Başqa sözlə, natamam GWAS tədqiqatları potensial olaraq əhalinin böyük seqmentlərinə zərər verir.

"Müxtəlif populyasiyalarla geniş genom tədqiqatları klinik praktikada oyun sahəsini bərabərləşdirməyə kömək edə bilər və əks halda daxil edilməyəcək şəxslərə dəqiq tibbin imkanını genişləndirə bilər" dedi Kooperberg.

Fərdlərin genetik əcdadından asılı olmayaraq, poligen risk balları eyni dərəcədə dəqiq olmalıdır,” Fred Hutchin Dr. Chris Carlson, yeni məqalənin digər böyük müəllifi dedi. Fred Hutch fayl şəkli

Carlson, dəqiq genetik məlumatların niyə vacib olduğuna dair əsas nümunə kimi çox xüsusiyyətli nəticələrə işarə etdi.

"Xolesterol səviyyəsinin və ya boyunun genetik proqnozu klinikada kritik olmaya bilər, çünki siz bu xüsusiyyətləri tez və ucuz qiymətə ölçə bilərsiniz" dedi. "Ancaq bu xüsusiyyətlər, otoimmün xəstəlikdən xərçəngə qədər, hazırda yaxşı biomarkerlərə malik olmayan xəstəliklər üçün genetik risk modellərinin nə qədər yaxşı performans göstərə biləcəyinə dair fikir verir."

Layihədə qiymətləndirilən genetik variantların əksəriyyəti avropalılarda aşkar edilib, ona görə də qeyri-avropalılarda əlavə qiymətləndirmə aparılmadan bu variantlardan genetik modeldə istifadə qeyri-avropalılarda proqnozların zəifləməsinə gətirib çıxarır.

"26 əlamət üzrə orta hesabla, afroamerikalılarda təsir ölçüsü təxminən 58 faiz idi" dedi Carlson. "Beləliklə, siz orta hesabla bu azlıqda avropalı amerikalılara nisbətən daha az dəqiq proqnoz verirsiniz."

Tədqiqatçıların fikrincə, bu, düzəldilməli və düzəldilə bilən qərəzdir.

Düşünün: genetik davamlılıq

Həmişə olduğu kimi, elm yaxşı perspektiv təklif edir.

"ABŞ kimi müasir müxtəlif populyasiyada genetik əcdad davamlıdır" dedi Peters. "Bunu qəbul etməli və ondan yeni elmi fikirlərin ortaya çıxmasına kömək etmək üçün istifadə etməlisiniz."

Bununla belə, bu kontinuum çərçivəsində hər birimiz öz fərdi risklərimizlə unikal fərdik.

"Azlıqların sağlamlıq bərabərsizliyinin həm sosial, həm də genetik komponentləri var" dedi Carlson. "Ancaq bir xəstənin Hba1c-ni necə şərh etdiyimizin genetikasına gəldikdə, bu, sizin Afrika-Amerikalı, İspan və ya Avropalı olduğunuzdan asılı deyil. Bu sizin oraq hüceyrə daşıyıcısı olub-olmamağınızla bağlıdır.

"Əgər fərdiləşdirilmiş tibblə məşğul olacağıqsa, o zaman hansı genetik dəyişkənliyin vacib olduğunu bilməliyik" dedi. "Və biz bütün populyasiyalarda bu genetik faktorları öyrənməliyik."


İstinadlar

Zhou, P. et al. Ehtimal edilən yarasa mənşəli yeni bir koronavirusla əlaqəli pnevmoniya epidemiyası. Təbiət https://doi.org/10.1038/s41586-020-2012-7 (2020).

Lu, R. et al. 2019-cu ilin yeni koronavirusunun genomik xarakteristikası və epidemiologiyası: virusun mənşəyi və reseptor bağlanması üçün təsirlər. Lancet https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)30251-8 (2020).

Hofmann, H. et al. Zülalla idarə olunan SARS coronavirus S infeksiyasına qarşı həssaslıq angiotenzin çevirən ferment 2-nin ifadəsi ilə əlaqələndirilir və infeksiya həll olunan reseptor tərəfindən bloklana bilər. Biokimya. Biofiz. Res. Kommun. 319, 1216–1221 (2004).

Li, W. və başqaları. İnsan NL63 koronavirusunun və ağır kəskin respirator sindromlu koronavirusun S zülalları ACE2-nin üst-üstə düşən bölgələrini birləşdirir. Virusologiya 367, 367–374 (2007).

Li, W. və başqaları. SARS-koronavirusun insan ACE2-yə uyğunlaşmasının reseptor və viral determinantları. EMBO J. 24, 1634–1643 (2005).

Zhao, Y. et al. Wuhan 2019-nCoV-un ehtimal olunan reseptoru olan ACE2-nin təkhüceyrəli RNT ifadəsi profili. bioRxiv. https://doi.org/10.1101/2020.01.26.919985 (2020).

Rothe, C. et al. Almaniyada asemptomatik kontaktdan 2019-nCoV infeksiyasının ötürülməsi. N. Engl. J. Med. https://doi.org/10.1056/NEJMc2001468 (2020).

GTex Konsorsiumu. Genotip-Toxuma İfadəsi (GTex) pilot analizi: insanlarda çox toxumalı gen tənzimlənməsi. Elm 348, 648–660 (2015).

Auton, A. et al. İnsan genetik variasiyası üçün qlobal istinad. Təbiət 526, 68–74 (2015).

Taliun, D. et al. NHLBI TOPMed Proqramından 53,831 müxtəlif genomun ardıcıllığı. bioRxiv https://doi.org/10.1101/563866 (2019).

Cai, G. 2019-nCov reseptoru olan ACE2-nin gen ifadəsində tütün istifadəsi fərqi. Əvvəlcədən çap https://doi.org/10.20944/preprints202002.0051.v1 (2020).

Imai, Y. et al. Angiotenzin çevirici ferment 2 ağır kəskin ağciyər çatışmazlığından qoruyur. Təbiət 436, 112–116 (2005).


Nəticələr

Mndmutant fenotip

Orijinal mnd mutant 1950-ci illərdə institutumuzda rentgen şüalarının mutagenezi ilə yaradılmışdır [13]. Ən gözə çarpan xüsusiyyəti mnd bitkilər onların qısaldılmış plastoxronudur, yəni yarpaq başlamasının daha sürətli sürətidir. Mutantlar yarpaqların daha sürətli çıxması nəticəsində yabanı tipli bitkilərdən orta hesabla iki dəfə çox yarpaqlara malikdirlər (Şəkil 1). Üstəlik, mutantda kulm internode uzunluqları azalır. Daha çox internod olmasına baxmayaraq (mutantda səkkizdən doqquza qədər). qarşı yabanı tipdə dörd-beş), bitki hündürlüyü tarla şəraitində təxminən üçdə bir azaldılır, lakin istixanada deyil (Şəkil 1d). Aralıqdan başqa, mutantda yarpaqların forması da dəyişir: yarpaqlar vəhşi tiplə müqayisədə daha dar və dik olur. Əlavə xüsusiyyətləri mnd artan sayı (yan meristemlərdən yaranan vegetativ tumurcuq budaqları) və daha qısa sünbüllərdir (Şəkil 1b Əlavə fayl 1: Şəkil S1).

Fenotipik xüsusiyyətləri mnd bitkilər. (a) Mutantlar (sağda) vəhşi tiplə (solda) müqayisədə əhəmiyyətli dərəcədə daha çox qovşaq sayına malikdirlər və yarı cırtdan böyümə vərdişi nümayiş etdirirlər. (b) Qulaq uzunluğu tarla şəraitində azalır (solda: yabanı tip, sağda: mutant). (c) Erkən inkişaf mərhələlərində yarpaqların əmələ gəlməsi daha sürətli olur mnd bitkilər (sağda) vəhşi tiplə müqayisədə (solda). (d) İstixana şəraitində yetişdirilən mutant bitkilər (sağda) cırtdan fenotipi olmayan daha çox internodlara malikdir. Vəhşi tip solda göstərilir.

Allel tezliyinin xəritəsi

Biz ShoreMap [5] və MutMap [8] metodlarına bənzər bir strategiya qəbul etdik ki, bir F-nin fenotipik kütlələrində allel tezliyinin genom üzrə paylanması yoxlanılır.2 mutantdan vəhşi tip genotipə keçmək yolu ilə inkişaf etmiş populyasiya (Əlavə fayl 2: Şəkil S2). arasında xaç nəsli mnd sort (cv.) bir yabanı tipli bitki ilə bitki Barke bir F əldə etmək üçün özünü idi2 əhalisi 100 nəfərdir. The mnd allel monogen resessiv əlamət kimi bu populyasiyada ayrılmışdır (19 mutant, 81 yabanı tipli bitki, χ 2 = 1,92, P dəyər = 0.17). 18 mutant bitkidən və təsadüfi seçilmiş 30 yabanı tipli bitkidən alınan DNT iki hovuzda birləşdirildi, bunlar Illumina HiSeq2000-də ekzom tutulmasına və sonradan yüksək məhsuldarlıq ardıcıllığına məruz qaldı, mutant və mutant üçün 82 milyon və 70 milyon 2 × 100 bp oxu cütləri verdi. müvafiq olaraq vəhşi tipli hovuzlar. Oxumalar cv-nin bütün genomlu ov tüfəngi (WGS) yığımına uyğunlaşdırıldı. Barke [23] və tək nukleotid polimorfizmləri (SNP) aşkar edilmişdir. Arpanın fiziki və genetik xəritəsi boyunca SNP mövqelərində allel tezliklərinin vizuallaşdırılması 5H xromosomunun uzun qolunda tək kəskin pik aşkar etdi, burada mutant allelinin tezliyi 95% -dən çox artdı və vəhşi növdə təxminən 30% -ə düşdü. hovuzlar (Şəkil 2a). Qeyd edək ki, heterozigot olan bitkilərin sayı arasındakı nisbət mnd lokusu və vəhşi tip allel üçün homozigot olanların sayının vəhşi tip kütləsində 2:1 olacağı gözlənilir. [21] xəritəsində 80-110 cM intervalında seçilmiş SNP-lər tək marker analizlərinə çevrildi (Əlavə fayl 3: Cədvəl S2). F-də genetik xəritəçəkmə2 əhali bu markerlərin sıx bağlı olduğunu təsdiqlədi mnd fenotip (Şəkil 2b).

Xəritəçəkmə ardıcıllıqla. (a) İki tutma hovuzunda Barke istinadına nisbətən alternativ allelin tezliyi arpanın inteqrasiya olunmuş fiziki və genetik xəritəsi boyunca vizuallaşdırılır [23]. (b) Hədəf intervallarından on SNP CAPS markerlərinə çevrildi və bütün F-də genotipləndi.2 əhalinin xəritələşdirilməsi. Markerlər (üst ox) və genetik lövbərlənmiş WGS montajında ​​marker mövqeləri arasında rekombinantların sayı [24] (alt ox) göstərilir. Böyük (>150 bp) ehtimal olunan silinmələri daşıyan ardıcıl kontiglər boz düzbucaqlılar kimi göstərilir. (c) İki tutma hovuzunda MND (MLOC_64838.2) dərinliyini oxuyun. WGS contig 49382-də iki MND ekzonunun mövqeləri yaşıl düzbucaqlılar kimi göstərilmişdir. Aşağıda, mutant hovuzu (qırmızı) və vəhşi tipli hovuz (qara) üçün əsas mövqeyə görə oxunan ardıcıllığın sayı göstərilir. Səhv olaraq mutant kütləsinə daxil edilmiş tək heterozigot bitki səbəbindən, MND mutant hovuzunda aşağı oxunuş əhatəsində də mövcuddur. Qeyd edək ki, ən yüksək əhatə zirvəsi iki ekzonun ucunda daha çox sayda lazımsız tutma zondları səbəbindən MND-nin qısa intronda (130 bp) olur.

Oxuma dərinliyi analizi ehtimal olunan namizəd genini müəyyən edir

X-şüalarının mutagenezi adətən böyük silinmələrə səbəb olduğundan [26], biz mutant hovuzunda deyil, vəhşi tipli hovuzda ardıcıl oxunuşlarla əhatə olunan ekzom tutma hədəfləri üçün ardıcıllıq məlumatlarımızı sorğuladıq. Gen modelləri və ekzom tutma hədəfləri cv-nin WGS montajında ​​koordinatlar kimi verilir. Morex, oxunuşlar yenidən bu montaja uyğunlaşdırıldı və oxunma əhatə dairəsi hər bir əsas mövqedə hesablandı və tutma hədəflərinə uyğun gələn bitişik əhatə olunmuş intervallar üzrə ortalandı. Marker analizləri göstərdi ki, biz səhvən mutant kütləyə bir heterozigot bitki daxil etmişik və bu, müvafiq F-nin fenotipik analizi ilə təsdiqlənib.3 ailə. Beləliklə, biz az sayda ardıcıl oxunmasını gözləyirdik mnd tək heterozigotdan qaynaqlanan mutant hovuzundakı lokus. Genom miqyasında biz ən azı 150 bp olan və potensial silinmələr üçün kifayət qədər rahat meyarlarımızı yerinə yetirən 435 interval (müvafiq ekzom tutma hədəflərini daşıyan bütün genom ov tüfəngi ardıcıllığı) müəyyən etdik (Əlavə fayl 4: Cədvəl S3). Bu hədəflərdən 18-i POPSEQ [24] tərəfindən geniş şəkildə müəyyən edilmiş intervalla (5H, 80 cM - 110 cM), 278-i genomun digər bölgələri ilə xəritələnmiş və 139-u xəritədən çıxarılmışdır. Bütün 435 intervaldan 48-i cv-nin WGS montajının kontigslərində yerləşirdi. Morex [23] yüksək güvən genləri ilə proqnozlaşdırılır. Bu genlərin ikisi istisna olmaqla, hamısının funksional annotasiyası var idi. Güman ki, silinmiş tutma hədəflərini daşıyan və bizim hədəf intervalımızda lokallaşdırılmış kontiglər arasında altısı yüksək inamlı genləri daşıyırdı (Şəkil 2b, Cədvəl 1). Bunlardan biri olan contig 49382 POPSEQ xəritəsində [24] 96 cM-də lövbərlənmişdir və beləliklə, mutant kütlədə 97 cM-də allel tezlik pikinə (97%) ən yaxındır (Əlavə fayl 5: Cədvəl S1). Bundan əlavə, contig 49382 iki ehtimalla silinmiş bölgəni ehtiva edir, onların arasında ən uzun aşkar edilmiş interval. Nəzərə alın ki, tək böyük silmə bir neçə kiçik silinmiş hədəf intervalı kimi görünməyə üstünlük verir, çünki ekzom tutma yalnız ayrı-ayrı eksonları hədəfləyir və intronlar nə mutantda, nə də vəhşi tipdə təmsil olunmur. Contig 49382-də silinmiş bölgələr 'Sitoxrom P450' kimi şərh edilən yüksək etibarlı gen MLOC_64838.2-nin iki ekzonu ilə üst-üstə düşür (Şəkil 2c). Bu gen contig 49382-də proqnozlaşdırılan yeganə gen idi. Düyü və Arabidopsis genomlarına qarşı zülal ardıcıllığının BLAST axtarışı sitoxrom P450 fermentlərinin CYP78A ailəsinin üzvlərini müəyyən etdi. Bu genlərdən biri, düyü CYP78A11, PLASTOCHRON1 (PLA1) kimi tanınır [27]. Düyü kimi pla1 fenotip (sürətli yarpaq başlanğıcı, azaldılmış yarpaq ölçüsü və bitki boyu) arpaya çox bənzəyir mnd, biz MLOC_64838.2-ni perspektivli namizəd hesab etdik.

Mutant analizi MLOC_64838.2 kimi təsdiq edir HvMND

Namizədin PCR gücləndirilməsi Morex və Barke sortlarında uğur qazandı, lakin MHOR474 mutantında uğursuz oldu. Əksinə, MLOC_64838.2-yə yaxın olacağı təxmin edilən genləri model çəməninə kollinearlıq vasitəsilə gücləndirə bildik. Brachypodium distachyon[28] və xəritələmə intervalında genetik olaraq lövbərlənmişdir. TILLING (Genomlarda Yerli Lezyonların Hədəflənməsi) populyasiyamızın skrininqi [18] sinonimi olan 20 EMS mutantını və sinonim olmayan dəyişiklikləri olan 17 mutantı müəyyən etdi. Fenotipik effektləri yoxlamaq üçün heterozigot vəziyyətdə vaxtından əvvəl dayanma kodonuna səbəb olan SNP (G261A) daşıyan bir mutant seçildi (Cədvəl 2). Bu bitkinin nəslindən 15 bitki heterozigot, ikisi yabanı tip allel üçün homozigot, beşi mutant allel üçün homozigot idi. Bütün homozigot mutant bitkilər (və yalnız bunlar) internodların əhəmiyyətli dərəcədə artdığını göstərdi. mnd fenotip (Şəkil 3a,b). Bundan əlavə, iki Bowmanın demək olar ki, izogen xəttinin introgressiyası kimi xarakterizə olunur mnd (BW520 və BW522) əvvəllər 5HL xromosom qoluna uyğunlaşdırılıb [17]. BW520-də MLOC_64838.2-nin Sanger ardıcıllığı kodlaşdırma ardıcıllığında bir sinonim olmayan SNP aşkar etdi. Gen BW522-də gücləndirilə bilmədi, halbuki bütün sintenik genlər mövcud idi (Cədvəl 3). Biz Nordic Gen Bankından (NordGen) 37 mutant qoşulma sifariş etdik mnd. Namizədimizin bu sətirlərdə təkrar sıralanması dörd amin turşusu dəyişikliyini, 16 vaxtından əvvəl dayanma kodonunu, bir birləşmə yerinin pozulmasını, ikinci ekzonda bir 107 bp silinməsini və altı tam silinməni aşkar etdi (Əlavə fayl 6: Cədvəl S4). İstixanada yetişdirildikdə, bütün mutantlar göstərdi mnd fenotip (Şəkil 3c-e). Biz bir neçə müstəqil mutant kolleksiyasında tapılan bu çox sayda molekulyar lezyonları MLOC_64838.2 funksiyasının itirilməsinin əsas sübut kimi qəbul etdik. mnd fenotip və bu geni adlandırdı HvMND.

mnd mutantlar. TILLING mutantlar (b) MND genlərində vaxtından əvvəl dayanma kodonu ilə vəhşi tiplə müqayisədə daha sürətli yarpaq başlanğıcı göstərir. (a). mnd bir amin turşusu dəyişikliyi ilə eyni genetik fonda mutantlar (cv. Kristina). (c), tam gen silinməsi (d), və vaxtından əvvəl dayanma kodonu (e). Mutasiya növü xəstəliyin şiddətinə təsir etməmişdir mnd istixana şəraitində fenotip. Hər bir bitki üçün tam böyümə boyu (solda) və tək təcrid olunmuş çəmən (sağda) göstərilir (c, d və e).

MND sitoxrom P450 fermentlərinin CYP78A alt ailəsinin üzvüdür.

MND sitoxrom P450 fermentlərinin CYP78A ailəsinin üzvüdür. Arpanın bütün genom ov tüfəngi birləşməsində dörd CYP78A geni tapdıq (Şəkil 4). Baxmayaraq ki mnd fenotip təqlid edir pla1, MND PLA1-in ortoloqu deyil. Düyüdə MND-nin ortoloqu Os09g09g3594, düyü xromosomu 9 [28] üzərində sintenik bölgədə yerləşir və protein səviyyəsində MND ilə 75% eynilik göstərir. PLA1-in arpada aydın ortologiyası yoxdur (Şəkil 4), lakin MND və digər iki CYP78A geninə, MLOC_68312.1 və MLOC_68718.1-ə təxminən 54% amin turşusu ardıcıllığı eyniliyinə malikdir. PLA1-in qarğıdalı və Arabidopsisdə ortoloqları olduğu üçün (Şəkil 3), PLA1-in qədim ortoloqu itmiş ola bilər. Poaceae düyü və qarğıdalıdan ayrıldıqdan sonra nəsil. Bu fərziyyəyə uyğun olaraq, biz arpada, buğdanın əcdadlarında PLA1 ortoloqlarına rast gəlmədik. T. urartuAe. tauschii, və B. distachyon.

CYP78A genlərinin filogenetik analizi. Müxtəlif növlərdən CYP78A-nın 38 zülal ardıcıllığından ibarət filogenetik ağac MEGA5 ilə qurulmuşdur. Qısaldılmış növ adları gen identifikatorlarından əvvəl verilir: Aegilops tauschii (Aet), A. thaliana (Ath), B. distachyon (Bd), H. vulgare (Hv), Oryza sativa (Os), T. urartu (Tu), Zea mays (Zm). Gen adları varsa, identifikatorlardan sonra verilir. CYP75B1 geni TT7 A. thaliana kənar qrup kimi istifadə olunurdu. Bootstrap metodu filialların statistik əhəmiyyətini yoxlamaq üçün tətbiq edilmişdir. Bootstrap testində əlaqəli taksonların (1000 təkrar) birləşdiyi təkrar ağacların faizi budaqların yanında göstərilir. Kifayət qədər yükləmə dəstəyi (<50%) olan filiallar konsensus ağacı əldə etmək üçün yıxıldı.

ifadə profilinə baxdıq HvMND və Beynəlxalq Arpa Genom Sıralama Konsorsiumu [23] tərəfindən tədqiq edilmiş səkkiz toxumada CYP78A ailəsinin digər arpa genləri. CYP78A genlərinin ifadəsi bütün toxumalarda aşkar edilmişdir, ailənin müxtəlif genləri müxtəlif toxumalarda ən çox yayılmışdır (Şəkil 5). Dörd CYP78A geni arasında, HvMND Antezdən 15 gün sonra inkişaf etməkdə olan taxıllarda yalnız zəif ifadə aşkar edilsə də, bütün nümunələrdə ifadə edilən ən geniş yayılmış idi.

ifadəsi MND və digər üç CYP78A arpa genləri. Transkript bolluğu səkkiz müxtəlif toxuma və ya inkişaf mərhələləri üzrə xəritələnmiş milyon oxunuşda (FPKM) ekzonun kilobazasına düşən fraqmentlər kimi verilir. Bir gen, onun FPKM dəyəri 0,4 [23] həddindən yuxarı olarsa (boz xətt ilə işarələnmiş) ifadə edilmiş sayılır. Bütün məlumatlar [23]-dən götürülüb.

Fiziki xəritəsi mndyer

Strategiyamızın digər xəritə əsaslı klonlaşdırma layihələrinə ümumi tətbiqi ilə bağlı narahatlıqlar ola bilər. MND-nin təcrid edilməsinə düyü modelində onun homoloqu PLA1-in yaxşı səciyyələndirilməsi və PLA1 nokaut mutantlarının fenotipinin əks olunması faktları kömək etdi. mnd. Bundan əlavə, MND ekzom tutma hədəf məkanında təmsil olunmasaydı, heç bir aşkar namizəd müəyyən edilə bilməzdi. Bu vəziyyətdə, allel tezliyinin paylanmasından inkişaf etdirilən markerlərin genetik xəritələşdirilməsi ilə təsdiqlənir silisiumda variantlar yalnız əlavə yoxlamaya məruz qalmalı olan hədəf intervalını müəyyən etmiş olardı. Daha əvvəl təklif edildiyi kimi, arpanın genom miqyaslı fiziki xəritəsi, namizəd genləri ayırmaq üçün xəritə əsaslı klonlaşdırma yolu ilə yerli fiziki xəritələrin qurulması ehtiyacını əsas götürməlidir [29]. Arpanın fiziki xəritəsi [23] ilə əlaqəli BAC sorğu ardıcıllığı məlumatları marker ardıcıllıqlarını və ya namizəd genlərini fiziki kontigsiyalarla əlaqələndirmək üçün istifadə edilə bilər, onların minimum döşənmə yolları [29] sonra ardıcıllıqla sıralana bilər. Beləliklə, bizim məqsədimiz, toplu seqreqant ardıcıllıq təcrübəsi ilə verilən məlumatın, hədəf lokus bölgəsinin delimitasiyası və namizəd genin identifikasiyası üçün genom miqyasında fiziki xəritənin fiziki kontingini seçmək üçün kifayət olub-olmadığını yoxlamaq idi.

MND lokusu ətrafında fiziki xəritəni əldə etmək üçün bu strategiyanı tətbiq edirik (Şəkil 6). Bu məqsədə doğru atılan əsas addımlar MND-ni özündə saxlayan arpa genomunun fiziki xəritəsinin BAC kontiglərinin, eləcə də onun cinah markerlərinin müəyyən edilməsi, bu kontiglərin minimum döşənmə yollarının (MTP) ardıcıllaşdırılması və BAC-də gen modellərini proqnozlaşdırmaq üçün inteqrativ ardıcıllıq təhlilinin aparılması olmuşdur. ardıcıl birləşmələr. Birincisi, biz BLAST axtarışları vasitəsilə arpanın [23] fiziki xəritəsinə inteqrasiya olunmuş ardıcıllıq resurslarına qarşı iki barmaq izi olan contig_45097 və contig_46058-i müəyyən etdik. Braxipodium MND orfoloqunun ən yaxın qonşuları, həmçinin M4 və M5 birgə ayırıcı və distal cinah markerləri idi. Eynilə, contig_1020-nin proksimal istiqamətdə MND-ni əhatə edən M3 markerinin olduğu aşkar edildi. MND ilə yüksək oxşarlığa malik heç bir BAC ardıcıllığı tapmadıq. Bu gözlənilməz deyil, çünki yalnız 1,1 Gb genomik ardıcıllıq məlumatı (arpa genomunun təqribən 20%-i) arpanın fiziki xəritəsi (6278 ardıcıl BAC klonu, BAC son ardıcıllığı) [23] ilə birbaşa təmin edilir. Bununla belə, MND-ni saxlayan və barmaq izi ilə alınmış contig_45097-yə təyin edilmiş BAC BAC kitabxanasının yoxlanılması vasitəsilə müəyyən edildi.

Fiziki xəritəsi mnd yer. (a) Barmaq izi (FP) kontiglər cinah və birgə ayırıcı markerlər (üçbucaqlar), həmçinin MND genini (almaz) daşıyır. Fiziki xəritə kontigs 1020 və 45097 arasında bitişik deyil. Bütün panellər üçün miqyas çubuğu yuxarıda verilmişdir. (b) Ardıcıl BAC-lar. BAC-lar FPC koordinatlarına uyğun olaraq yerləşdirilmişdir [23]. (c) Gen modelləri və ortoloji Braxipodium genlər. Tracks (yuxarıdan aşağı) hər ikisində mövcud olan (1) gen modelinin mövqelərini qeyd edir de novo Augustus və IBSC gen modelləri ilə proqnozlar (yaşıl - yüksək güvənli (HC) IBSC genləri, mavi - aşağı inamlı (LC) IBSC genləri) (2) yalnız Augustus tərəfindən proqnozlaşdırılan gen modelləri (3) IBSC (yaşıl) tərəfindən proqnozlaşdırılan gen modelləri - HC genləri mavi - LC genləri) (4) ortoloji Braxipodium genlər, Bradi4g3xxxx gen identifikatorunun yalnız son dörd rəqəmi verilir. (d) Ekzom ardıcıllığı ilə aşkar edilmiş və BAC ardıcıllığına bağlanmış SNP-lər şaquli xətlərlə qeyd olunur.

Sonra, Illumina HiSeq2000-də 38 BAC-ı ardıcıllıqla (Şəkil 6b Əlavə fayl 7: Cədvəl S5) bu üç fiziki kontigmanın MTP-lərini (Şəkil 6a) yığdıq. Tək BAC-lar “faza-1” keyfiyyətinə, yəni sıralanmamış kontig ardıcıllığına yığılmışdır. BAC məclislərində hər şeyə qarşı BLAST axtarışları 46058 və 45097 kontigmalarının bitişikliyini, eləcə də onlar arasında üst-üstə düşdüyünü təsdiqlədi. Contig_1020 onların heç biri ilə üst-üstə düşmür. M4 və M5 markerləri bir-birinə bitişik ardıcıllıq skafoldunda yerləşirdi ki, bu da bizə MND lokusunda hər cM üçün təxminən 740 kb olan fiziki və genetik məsafə arasında təxmini nisbəti qiymətləndirməyə imkan verdi.

Növbəti addımda gen modelləri (Şəkil 6c) təkrar maskalı BAC birləşmələrində bir metoddan istifadə etməklə proqnozlaşdırıldı. ilkin olaraq metodu və Morex WGS montajında ​​müəyyən edilmiş gen modellərinin uyğunlaşdırılması yolu ilə [23]. Ümumilikdə, BAC ardıcıllıqlarında 98 artıq olmayan gen modeli müəyyən edilmişdir. Hər iki üsulla iyirmi beş gen tapıldı, 35-i yalnız proqnozlaşdırıldı ilkin olaraq və ehtimal ki, psevdogenləri təmsil edir. Otuz səkkiz gen yalnız IBSC annotasiyasına daxil edilmişdir, onların əksəriyyəti (23 gen) aşağı etibarlı transkriptlər kimi təsnif edilir, onlar da ehtimal olunan psevdogenlər və ya gen fraqmentləridir. Gen sırası əsasən uyğun gəlirdi Braxipodium bəzi kiçik dəyişikliklərlə (Şəkil 6c). Synteny bizə contig_1020-ni digər iki kontigəyə nisbətən istiqamətləndirməyə imkan verdi.

Nəhayət, biz 1020 və 45097-ci barmaq izləri arasında qalan boşluğun ölçüsünü təxmin etməyə və onu bağlaya biləcək əlavə BAC-lar tapmağa çalışdıq. 10 kimi Braxipodium Bradi4g 35770 və Bradi4g35860 arasında genlər yoxdur, kontig 1020 və 45097 arasındakı boşluq bir neçə yüz kilobaza qədər ola bilər və ya boşluq kiçikdir və arpa ilə arpa arasında kollinearlığın olmadığı bir bölgəni təmsil edə bilər. Braxipodium. Biz 'itkin' arpa ortoloqlarını daşıyan WGS contiglərini birləşdirdik Braxipodium 227 və 236 kb ölçülü iki qısa fiziki kontigmanın (45219 və 45903) bir hissəsi olan BAC ardıcıllığını bitirmək üçün genlər (Cədvəl 4). Bu kontiglər Bradi4g35840 və Bradi4g35800 ortoloqlarını daşıyır və bu, ilə ümumi kollinearlığı daha da dəstəkləyir. Braxipodium bu genomik bölgədə. Bundan əlavə, contig_45219-a aid bir BAC son ardıcıllığı (HF198106) yüksək eyniliyə (755 bp-dən çox 99,9% eynilik) uyğunlaşdı və bu iki FP kontiginin üst-üstə düşə biləcəyini göstərən contigs_45097-nin iki BAC ardıcıllığına uyğun gəldi.

Xülasə, 100 F2 bitkisi tərəfindən təmin edilən genetik rezolyusiyada biz bir addımda üst-üstə düşən BAC klonlarının tək fiziki ardıcıllıq iskelesini əldə edə bilmədik. MND ən yaxın iki cinah işarəsi arasındakı yer. Bununla belə, qalan boşluq qorunmuş sinteniya məlumatı əsasında müəyyən edilmiş iki əlavə FP kontiginin MTP-ni Braxipodiuma ardıcıllaşdırmaqla bağlana bilər. Bundan əlavə, arpada tez-tez tələb olunduğu kimi, genetik rezolyusiyanı əhəmiyyətli dərəcədə bir neçə min meioza qədər artırmaq, M4 markeri ilə irsi arasında rekombinasiyaları həll etməyə imkan verə bilər. MND arpanın fiziki xəritəsi ilə təmin edilən tək BAC contig iskele üzərində cinah işarələri ilə enişlə nəticələnəcək gen. Beləliklə, arpa üçün mövcud olan qabaqcıl genomik resurslara baxmayaraq, namizəd lokunun bitişik fiziki xəritəsini əldə etmək üçün MTP ardıcıllığının və üst-üstə düşmə təhlilinin birdən çox raundunu əhatə edən iterativ proses hələ də tələb oluna bilər.


Mikrob populyasiyasının genomikası icma ekologiyasına necə məlumat verə bilər?

Populyasiyalar ekologiya və təkamülün əsas vahidləridir, lakin biz onları bakteriya və arxeya üçün bioloji mənalı şəkildə müəyyən edə bilərikmi? Burada populyasiya strukturunun mikroblarda niyə tanınmasının çətin olduğunu və müasir gen axınının ölçülməsində əldə edilən son nailiyyətlərin yaxından əlaqəli genom kolleksiyaları arasında aydın şəkildə müəyyən edilmiş populyasiyaları müəyyən etməyə imkan verdiyini nəzərdən keçiririk. Belə struktur bioloji mexanizmlərə əsaslanan populyasiyaları müəyyən edərək, birgəyaşayış və genetik oxşarlığın səbəb olduğu üstünlüklü gen axınından yarana bilər. Biz göstəririk ki, bu cür gen axını vahidləri xüsusi uyğunlaşmaların yayılması üçün kifayət qədər genetik olaraq təcrid olunub və onları həm də ən yaxın qohumları ilə müqayisədə diferensial uyğunlaşan ekoloji vahidlər halına gətirir. Bu müşahidələrin ətraf mühitdə bakterial və arxeal müxtəlifliyin ölçülməsi üçün təsirlərini müzakirə edirik. Biz göstəririk ki, 16S rRNA gen ardıcıllığı ilə müəyyən edilmiş əməliyyat taksonomik vahidləri ekoloji cəhətdən müəyyən edilmiş populyasiyalar üçün olduqca zəif həllediciliyə malikdir və metagenomikadan istifadə edən icma ekoloji tədqiqatlarında əhalinin xəritələşdirilməsi üçün alternativ tədbir kimi demək olar ki, eyni ribosomal protein genlərinin monofiletik qruplarını təklif edir. Bu populyasiyaya əsaslanan yanaşmalar insan və ətraf mühit mikrobiomlarında geniş mikrob müxtəlifliyini şərh etmək üçün çox ehtiyac duyulan aydınlığı təmin etmək potensialına malikdir.

Bu məqalə “Mikrob icmalarının ekologiyasında konseptual problemlər” mövzusunun bir hissəsidir.

1. Giriş

Hər hansı bir giriş biologiya dərsliyini götürün və yəqin ki, populyasiyaların genetik quruluşunda dəyişiklik kimi müəyyən edilən təkamülü tapa bilərsiniz. Növlərin yerli olaraq birlikdə mövcud olan nümayəndələri kimi müəyyən edilərək, populyasiyalar praktikada həm də ekoloji qarşılıqlı əlaqəni, eləcə də ekosistemin sabitliyini və davamlılığını qiymətləndirmək üçün növ müxtəlifliyini ölçmək istədiyimiz zaman istifadə olunan müxtəliflik vahidləridir [1]. Mikroblar üçün populyasiyaları müəyyən etmək çox çətin olmuşdur [2] və biz icmaların genetik quruluşunu ölçmək üçün ixtiyari müxtəliflik vahidlərindən istifadə edirik [3]. Populyasiyaların müəyyən edilməsində bu çətinlik, təbii ki, bakteriya və arxeya üçün bioloji mənalı növ konsepsiyasının olmaması ilə bağlıdır [3-6]. Aydın şəkildə müəyyən edilmiş populyasiyalar olmadan, icma ekologiyasındakı ən fundamental sualların bir çoxuna cavab vermək çətindir. Məsələn, pozğunluqlar populyasiyalar daxilində genotipik tərkibində dəyişikliklərə və ya növ dövriyyəsinə səbəb olurmu? Bu imkanlar arasında fərq qoymaq mənalı sualdır, çünki populyasiya daxilində genotipdəki dəyişikliklər növlərin tərkibindəki topdan dəyişikliklərlə müqayisədə ekoloji şəbəkələri daha az poza bilər. Həqiqətən də, bu sual əsas mikrob icmalarının, o cümlədən insan mikrobiomunun dinamikasını başa düşmək üçün əsasdır.

Bakteriya və arxeal populyasiyaların və genişlənmə növlərinin müəyyən edilməsi, buna görə də icma ekologiyası üçün vacib bir cəhddir, lakin biz bunu edə bilərikmi? Mikrob müxtəlifliyi bioloji mənalı xassələri aid edə biləcəyimiz təbii vahidlərə təşkil olunubmu? Konkret olaraq, fundamental təkamül prosesləri bir yerdə mövcud olan genotipləri uyğunlaşmaların xüsusi şəkildə yayıla biləcəyi vahidlərə təşkil edirmi və aydın şəkildə fərqli dinamikləri olan ekoloji vahidlərə səbəb olurmu? Əgər mikrob populyasiyalarını belə müəyyən edə bilsək, o zaman heyvanlar və bitki populyasiyaları üçün işlənib hazırlanmış zəngin təkamül və ekoloji nəzəriyyəni tətbiq edə bilərik [7,8] olmasa, o zaman əsaslı şəkildə fərqli nəzəriyyə və yanaşmalara ehtiyacımız ola bilər [2]. .

Burada bakteriyaların genetik olaraq aydın şəkildə müəyyən edilmiş, ekoloji cəhətdən fərqli populyasiyalar şəklində təşkil edilib-edilməməsi sualını araşdırırıq. Biz iddia edirik ki, bakterial və arxeal rekombinasiya, həm homoloji, həm də qeyri-homoloji, biristiqamətli və qeyri-adi olsa da, ekoloji quruluş və seçmə ekoloji cəhətdən fərqlənmiş vahidlərin yaranması üçün gen axını kifayət qədər strukturlaşdırmaq potensialına malikdir. Sonra bu cür vahidlərin tanınmasının nə üçün bu qədər çətin olduğunu müzakirə edəcəyik və göstəririk ki, yalnız çox yeni gen axını təxmin etməklə, gen axını və ekologiyanın uyğun vahidləri həqiqətən bərpa olunur.Hələ çoxlu nümunələrə ehtiyac olsa da, bu vahidlər populyasiyaların bakterial və arxeal ekvivalenti ola bilər və onların identifikasiyası son nəticədə mikrob növləri probleminin həllinə kömək edə bilər. Biz ətraf mühitdə bioloji mənalı müxtəlifliyin ölçülməsi üçün nəticələr çıxarmaqla yekunlaşdırırıq.

2. Bakteriyalar və arxeyalar arasında aydın şəkildə müəyyən edilmiş populyasiyalar tapacağımızı gözləməliyikmi?

Gen axını hər hansı bir mikrobun, prinsipcə, hər hansı digər [9,10] ilə gen paylaşa bilməsi mənasında potensial pozğun olsa da, o, yalnız yerli ekoloji vahidlər kimi populyasiyalar üçün üstünlük təşkil edən uyğunlaşmaların yayılmasına imkan verəcək qədər strukturlaşdırılmalıdır. meydana çıxır [11,12]. Nəzərə alın ki, müəyyən yaşayış mühitini tutan populyasiyalar bir yerdə yaşadıqları və oxşar funksiyaları yerinə yetirdikləri üçün oxşar seçmə təzyiqləri altında olan fərdlərdən ibarətdir (şəkil 1). Belə yaşayış yerləri torpaqda və ya su mühitində kiçik üzvi hissəciklər və ya müəyyən fiziki və kimyəvi xassələri olan daha geniş su obyektləri ola bilər [13-15]. Bununla belə, əsas odur ki, yaşayış yerləri demək olar ki, həmişə yamaqsız və efemerdir və onlar icma daxilindəki bir qrup populyasiyanın üstünlüklü artım vasitəsilə bolluğun artmasına imkan verir [13,16-18]. Nəticə olaraq, aktiv populyasiyaların genetik materialı paylaşma ehtimalı daha yüksəkdir, çünki homoloji rekombinasiya dərəcələri ardıcıllıq fərqi ilə eksponent olaraq azalır [19,20] və imtiyazlı mikrohabitat assosiasiyaları daha yüksək qarşılaşma nisbətlərini təmin edir (şəkil 1).

Şəkil 1. Mikrob populyasiyaları arasında gen axınının böyüklüyü əsasən həmin populyasiyaları təşkil edən ayrı-ayrı ştammların genetik oxşarlığı və ekoloji üst-üstə düşməsi ilə formalaşır. Homoloji rekombinasiyanın səmərəliliyi ardıcıllıq fərqi ilə eksponent olaraq azalsa da, oxşar fiziki boşluqları tutan suşlar arasında daha çox fiziki təmasda köçürmə ehtimalı artır. (Rəngli onlayn versiya.)

Aktiv böyüyən genotiplərin bu artan qarşılaşması və rekombinasiyası ekoloji birliyin yaradılması və saxlanması üçün mühüm nəticələrə malikdir [12]. Əgər populyasiya daxilində uyğunlaşma yaranarsa, uyğunlaşmanı daşıyan genotiplərdə üstünlüklü gen axını və uyğunluq artımının birləşməsi sayəsində populyasiyada daha asan yayılacaqdır [11]. Başqa sözlə, seçimin gücü və rekombinasiya sürəti arasındakı tarazlıqdan asılı olaraq, uyğunlaşma seçmə yolu ilə populyasiyaya yayıla bilər [12,21]. Uyğunlaşma digər birlikdə mövcud olan populyasiyalar üçün faydalıdırsa, onun müəyyən bir populyasiya üçün uyğunluq üstünlüyü qısa ömürlüdür, çünki üfüqi gen transferi, ehtimal ki, onu digər populyasiyalar üçün əlçatan edir [22]. Bununla belə, uyğunlaşmanın daşınması ilə uyğunlaşmalar əlaqəli olarsa, ssenari tamamilə fərqli ola bilər, yəni o, fərqli genomik və ya ekoloji fonda yaxşı işləməyə bilər [12,23,24]. Əgər belədirsə, uyğunlaşma daha uzun müddət populyasiyaya və ya növə xas qala bilər və ekoloji differensiasiyanı həyata keçirə bilər. Uyğunlaşmanı daşıyan genotiplər yeni yaşayış mühitinə daha uyğundur, lakin əcdadların yaşayış mühitinə daha az uyğundursa, uyğunlaşmalar da növləşmə prosesini başlata bilər [12,23]. Bu təsir fiziki ayrılmaya səbəb ola bilər və beləliklə, yeni yaranan populyasiyalar arasında gen axını maneəsi yarada bilər [12,25].

Yuxarıda müzakirə olunan mübadilələri müəyyən etmək çox vaxt çətindir, çünki onlar çox yaxınlarda müəyyən edilmiş populyasiyaların araşdırılmasını tələb edir. Daha fərqli növlər arasında çoxlu genetik dəyişikliklər adətən yığılıb, eləcə də mübadilə ilə əlaqəli xüsusiyyəti müəyyən etmək üçün itirilib. Bir bariz nümunə okeanda yenicə müəyyən edilmiş bakteriya populyasiyalarındandır [26]. Müqayisəli genomik yanaşma iki populyasiyanı müəyyən etdi Vibrio cyclitrophicus Okean nümunələrində diferensial şəkildə paylanmış, biri üzvi hissəciklərlə əlaqəli, digəri isə sərbəst yaşayan. Hər iki populyasiyada onları fərqləndirən genom bölgələri, o cümlədən spesifik allelin bu yaxınlarda araşdırıldığını göstərən çox azalmış nukleotid müxtəlifliyi olan bölgələr, həmçinin son populyasiyaya xas əlavələr və ya itkilərdən gözlənildiyi kimi diferensial gen mövcudluğunu göstərən bölgələr var idi. Bu fərqləndirici allel və genlərdən bəziləri biofilmin əmələ gəlməsi və bağlanması ilə açıq şəkildə əlaqələndirilmişdir ki, bu da zərrəciklərlə birləşmə qabiliyyətinin populyasiyalardan birində itirildiyi və ya qazanıldığı fərziyyəsinə səbəb olmuşdur [26].

Müşahidə olunan genetik fərqlərə əsaslanan diferensial uyğunlaşmanın bu fərziyyəsi sonradan iki populyasiyanın nümayəndələrinin davranış müşahidələri ilə təsdiqləndi ki, bu da rəqabət-dispersiyalı mübadilə təklifini irəli sürdü [27]. Mikrofluidics okeanda kiçik hissəciklərin bakteriyaların bərk üzvi materialı birləşdirə və parçalaya biləcəyi yaşayış mühitini təmsil etdiyi şəraitə bənzəyən ekoloji mənzərə yaratmaq üçün istifadə edilmişdir [13,16]. Bu deqradasiya prosesinin özü həll edilmiş üzvi materialın yamaqlarının müvəqqəti yaşayış mühitini yaradır, çünki birləşmiş bakteriyalar üzvi polimerləri hüceyrədən kənarda parçalanma məhsullarını hüceyrəyə idxal edə bildiklərindən daha tez parçalayır [16]. Diffuziya yolu ilə hissəcik ətrafında mono- və ya oliqomerlərdən ibarət bulud əmələ gəlir və bu material hərəkətli bakteriyalar tərəfindən istehlak edilə bilər [28]. Belə şərtlər mikrofluidik sistemdə təqlid edildikdə, iki populyasiya müvafiq olaraq bərk və həll olunmuş resurslara differensial şəkildə uyğunlaşdırılmış göründü. Biri hissəciklərə yapışaraq və biofilmlərdə böyüyərək cavab versə də, digəri hissəciklər arasında səmərəli dağılmağa, onları sürətlə aşkar etməyə və yeni hissəciklərə doğru üzməyə qadir idi [27]. Bu onu göstərir ki, sonuncu populyasiya həqiqətən də efemer, həll olunan qida yamaqlarının istismarına daha yaxşı uyğunlaşır, birincisi isə bərk üzvi materialın deqradasiyasına yol verir. Sübut etmək çətin olsa da, genomik müqayisədən belə nəticəyə gəlindi ki, bu davranış fərqləri növləşmə prosesində iştirak edib, çünki diferensial uyğunlaşmalar genomlarda asanlıqla bir yerdə mövcud ola bilməyən ekoloji uyğunlaşmanı təmsil edir.

Baxmayaraq ki, yuxarıdakı nümunə populyasiya genomikasının incə miqyaslı ətraf mühit nümunələri ilə birlikdə gücünü nümayiş etdirsə də, bu yaxınlarda müəyyən edilmiş populyasiyaların kəşfi yenə də təsadüfi idi. İzolyasiyaları diferensiallaşdırmaq üçün marker kimi istifadə edilən zülal kodlaşdıran genin əvvəlcə bir süpürgə bölgəsi ilə əlaqələndirilməsi və beləliklə, bu iki populyasiyanı aydın şəkildə fərqləndirməsi kömək etdi [26]. Əksər hallarda əhalinin strukturu haqqında nəticə çıxarmaq mümkün deyil a priori və bunun əvəzində belə nəticəyə gəlmək üçün bəzi müxtəliflik ölçüsünün ətraf mühit nümunələri üzərində xəritələndiyi yanaşma tələb olunur. Biz daha sonra yalnız genetik məlumat əsasında bakteriya və arxeya arasında populyasiya və ya növ sərhədlərinin tanınmasının bu çətinliyinin səbəblərini təsvir edəcəyik.

3. Nə üçün populyasiyaları müəyyən etmək bu qədər çətindir?

Bu yaxınlarda yazdığı rəydə Rocha [2] neytral təkamül nəzəriyyəsinin işığında bakterial (və arxeal) populyasiya genetikasında çətinlikləri qeyd etdi. Ən mühüm problemlərdən biri odur ki, tədqiqat obyektinin qeyri-səlis təbiətinə görə müəyyən edilməsi demək olar ki, qeyri-mümkün olmuşdur. Oxşar arqumentlər əvvəllər növ sərhədləri üçün də edilmişdir [29]. Belə qeyri-səlislik müxtəlif topologiyalarla nəticələndiyi üçün genom üzrə çoxsaylı lokusların filogenetik ağaclarında müşahidə olunur. Yəni klasterləşmə müşahidə olunsa da, müxtəlif genlər nəzərə alındıqda, onların fərqli təkamül tarixini əks etdirən uyğunsuzluq olur [29,30]. Bu yaxınlarda çıxan bir kağız, hətta rekombinasiyanın bu qədər azğın olduğunu iddia etdi Escherichia coli çoxluq ağacı olmadığını təcrid edir, baxmayaraq ki, paradoksal olaraq, oxşar ağac həmişə fərqli daha böyük genom bölgələri üzərində orta hesabla çıxarılır [31]. Bir çox rekombinasiya qiymətləndirmə metodlarında olduğu kimi, fərdi genlər populyasiyanın klonal tarixini (və ya klonal çərçivəni) əks etdirən konsensus ağacı ilə müqayisə edildikdə bu, potensial olaraq problemlidir. Ümumiyyətlə, bu müşahidələr filogenetik metodların populyasiyaların və növlərin müəyyənləşdirilməsində problemlərlə qarşılaşa biləcəyini göstərir.

Filogenetik metodlarla bağlı problem onların çox uzun təkamül zaman çərçivələri üzərində inteqrasiyası ola bilər ki, bu da əhalinin differensasiyası üçün faydalı olsun. Xüsusilə, son zamanlar təyin edilmiş populyasiyalar arasında genomun yalnız çox kiçik bir hissəsi onlar arasındakı fərqi dəstəkləyir [26]. Bu yaxınlarda qeyd olunan iki əsərin təhlilində yaxşı əks olunur V. siklitrofik paylaşdıqları hər bir genomik bölgənin özünəməxsus təkamül tarixinə malik olduğu və hər iki populyasiyanın tamamilə qarışmış göründüyü populyasiyalar [26]. Bu, açıq-aşkar bir paradoksdur: populyasiyaya xas süpürgələr müşahidə edilərkən əhali sərhədləri arasında rekombinasiya necə ola bilər? Cavab filogenetik müqayisələrin birləşdiyi zaman şkalasındadır. Yalnız ən son rekombinasiya hadisələrini təhlil etmək üçün metod işlənib hazırlandıqda, bunlar populyasiyalarda daha tez-tez baş verirdi. Bu, iki populyasiyanın ümumi rekombinasiya tarixini paylaşdığı halda, populyasiyadan sonrakı ən son rekombinasiya hadisələrinin populyasiyaya xas olduğunu göstərir [26].

Rekombinasiyanı ölçmək üçün nəzərdə tutulmuş bir çox üsul belə, spesifikasiya hadisələrini tutmaq üçün çox uzun olan təkamül zaman çərçivələri üzərində inteqrasiya problemindən əziyyət çəkə bilər. Bu yaxınlarda biz sadə bir təcrübə keçirdik, burada başqa cür klonal olaraq inkişaf edən genomlar qrupu arasında rekombinasiya partlayışını simulyasiya etdik və mutasiyalar yığıldıqca rekombinasiya siqnalının necə parçalandığını müşahidə etdik [32]. Rekombinasiya homoplaziyaların identifikasiyasına əsaslanan iki fərqli üsulla təhlil edildikdə, gen axını dayandırıldıqdan çox sonra hələ də xeyli siqnal var idi. Bunun səbəbi, homoplaziyaların təsadüfi mutasiya prosesi tərəfindən yavaş-yavaş silinməsidir, beləliklə onların ölçülməsinə əsaslanan metodlar uzun müddət ərzində inteqrasiya olunur və yalnız müasir rekombinasiya prosesini tutmur. Uzun müddət ərzində bu cür inteqrasiya, yaxından əlaqəli populyasiyalar və ya hətta növlər müqayisə edildikdə problemli olur və populyasiya və ya növ sərhədlərini düzgün bərpa etmək üçün daha müasir gen axınını təhlil edə bilən metodlara ehtiyac olduğunu göstərir [32].

4. Müasir populyasiya strukturu kontekstində gen axınını qiymətləndirə bilərikmi?

Mövcud üsullar növləri və ya populyasiya sərhədlərini bərpa edə bilmirsə, bu cür sərhədləri düzgün müəyyən edə biləcək alternativ varmı? Biz bu yaxınlarda iki genom arasında rekombinasiyanın homogenləşdirici gücünün ölçülməsinə əsaslanan və digər üsullarla müqayisədə daha yeni gen transferini müəyyən etməyə qadir olan belə bir üsul təklif etmişik [32]. Gen köçürmə qrupları (PopCOGenT) kimi populyasiyalar adlanan bu üsul digərlərindən fərqlənir ki, o, paylaşılan eyni genom bölgələri vasitəsilə son gen transferini təxmin edir (şəkil 2). İki yaxından əlaqəli genom arasındakı bu cür eyni izlər şaquli irsiyyət və ya üfüqi gen transferi yolu ilə yarana biləcəyi üçün PopCOGenT sadə şaquli (klonal) irsiyyət modelindən istifadə edərək ikisini fərqləndirir. Əgər iki genom rekombinasiya olmadan mutasiya yığılması ilə klonal şəkildə ayrılırsa, onlar tək nukleotid polimorfizmlərinin Poisson modeli ilə qiymətləndirilə bilən eyni bölgələrin xarakterik uzunluğu və tezlik paylanmasına malik olacaqlar [32]. Bu gözləntidən yuxarı olan eyni bölgələrdə əhəmiyyətli zənginləşmə gen transferinin təxmini kimi xidmət edə bilər (şəkil 2). Gen köçürmə siqnalı genomların 0,1% ayrılması üçün tələb olunan vaxt ərzində böyüklük sırası ilə parçalanır və buna görə də PopCOGenT digər üsullarla müqayisədə gen transferinin daha müasir ölçüsünü təmin edə bilər [32].

Şəkil 2. “Gen köçürmə qrupları kimi populyasiyalar” (PopCOGenT) metodu hər hansı iki genom tərəfindən paylaşılan eyni ardıcıllığın uzunluqlarının paylanmasını ölçməklə son üfüqi gen transferinin miqdarını təxmin edir. Bu paylanmanı klonal təkamülün sıfır modeli (i) ilə müqayisə edərək, PopCOGenT üfüqi gen transferi sayəsində “transfer meylini” müəyyən edir. Genomlar arasında üfüqi köçürmə dayandırıldıqdan sonra bu köçürmə meyli mutasiyaların yığılması səbəbindən sürətlə çürüyür. (Rəngli onlayn versiya.)

Əhəmiyyətli odur ki, PopCOGenT tərəfindən təmin edilən gen transferi ölçüsü rekombinasiyanın genetik müxtəlifliyi necə strukturlaşdırdığını araşdırmaq üçün şəbəkə qurmaq üçün istifadə edilə bilər (şəkil 3). Şəkil 3-də göstərilən nümunədə ayrı-ayrı genomlar aralarında müxtəlif miqdarda gen axını göstərir. Bəzi təcridlər aydın şəkildə təcrid olunmuş çoxluq təşkil edir, digərləri isə xeyli gen axını ilə bağlı qalır, lakin daha zəif birləşmiş alt qruplara strukturlaşdırılır. Aşağıda təfərrüatlı şəkildə göstərildiyi kimi, belə alt qrupları xam gen axını şəbəkəsinə sadə klasterləşdirmə alqoritmi tətbiq etməklə müşahidə etmək olar. Üstəlik, PopCOGenT qoşa düzülmələrlə işlədiyi üçün, o, bütün paylaşılan bölgələri, onların populyasiya üzrə bütün təcridlər tərəfindən paylaşılıb-paylaşılmamasından asılı olmayaraq müqayisə edə bilər. Beləliklə, həm əsas, həm də çevik genomda bu yaxınlarda paylaşılan genetik material, yəni populyasiyada müvafiq olaraq bütün və ya izolatların alt qrupları tərəfindən paylaşılan gen tamamlayıcısı nəzərə alına bilər.

Şəkil 3. PopCOGenT ətraf mühitdən əldə edilən təcrid və ya təkhüceyrəli genomların cüt-cüt tam genom düzülüşü vasitəsilə populyasiyaları müəyyən edir. Çox vaxt genom düzülüşündən və ya birləşdirilmiş marker genlərindən (solda) hazırlanmış filogenetik ağaclardan bioloji cəhətdən mənalı populyasiyalarda ştammları necə qruplaşdırmaq çox vaxt aydın deyil. Bundan əlavə, bu filogenetik ağaclardakı müxtəliflik yalnız əsas genomik bölgələrin təkamül tarixini təsvir edə bilər. PopCOGenT cüt-cüt uyğunlaşdırmalar həyata keçirməklə, hər hansı iki genom tərəfindən paylaşılan bütün bölgələr üzrə gen transferini təxmin edir və sərt şəxsiyyət kəsiklərinə (orta) etibar etmədən populyasiya strukturunu müəyyən edir. Bəzi populyasiyalar gen axını ilə digər qruplardan tamamilə ayrılsa da, digərləri bir-birinə bağlı olaraq qalır və əsas populyasiya strukturu geniş şəkildə əlaqəli suşların alt qruplarını müəyyən edən klasterləşmə yolu ilə aşkar edilir (sağda). Genomların təcrid olunmuş çoxluqları, genetik təcridin bioloji növ anlayışının tərifi tələbi ilə paylaşdıqları xüsusiyyətlərə görə növ kimi hesab edilə bilər. (Rəngli onlayn versiya.)

Əhali strukturu təxmin edilən bir neçə bakterial və arxeal model sistemlərinə tətbiq edildikdə (ekoloji və fizioloji məlumatlarla birlikdə populyasiya genomikasından istifadə etməklə), PopCOGenT ilkin proqnozları təkrarlaya bildi [32]. Bu model sistemlər kritik testi təmsil edir, çünki hər birinin ətraf mühit nümunələrindəki diferensial dinamika da daxil olmaqla birləşən xassələri ilə seçilən yaxından əlaqəli bacı populyasiyalardan ibarət olduğu göstərilmişdir. PopCOGenT bu model sistemlərdən genomlar arasında gen axını şəbəkəsi yaratmaq üçün istifadə edildikdə, xam şəbəkə əvvəllər müəyyən edilmiş genetik və ekoloji vahidlərə yüksək dərəcədə uyğun gələn gen axını qruplarına strukturlaşdırılmışdır.

Xam gen axını şəbəkəsindəki bu ilkin klasterlərin digər bu cür klasterlərlə heç bir əlaqəsi yox idi, bu, bir çox ekoloji populyasiyalar arasında son gen axınının mahiyyətcə aşkar edilmədiyini göstərir [32]. Sadə bir klasterləşdirmə alqoritmi tətbiq edildikdə, bəzi hallarda əlavə struktur aşkar edildi, yəni. Bu alt qruplar həmçinin son vaxtlar bir-birindən ayrılmış populyasiyaların iki modelini təkrarladılar V. siklitrofikSulfulobus icelandicus [26,33], göstərir ki, PopCOGenT daha zəif gen axını fasilələri ilə ayrılmış yeni yaranan populyasiyaları düzgün müəyyən edə bilir [32]. Məlumat dəstlərindən biri də əsasən okean siyanobakteriyasının tək hüceyrələrindən gücləndirilmiş genomlardan ibarət idi. Proxlorokokk. Belə bir hüceyrəli genomları ənənəvi üsullarla müqayisə etmək adətən çətindir, çünki təsadüfi sahələrdə natamamdır. Bununla belə, PopCOGenT natamam məlumatları idarə edə bilər, çünki o, cütlər arasında kifayət qədər üst-üstə düşmə mövcud olduğu müddətdə ikili müqayisələrə əsaslanır. Kifayət qədər məlumatı təşkil edən şey zəif tədqiq edilir və məlumat dəstləri də əlaqəli olmayan genomlar arasında gen transfer əlaqələri kimi qiymətləndirilə bilən DNT-ni çirkləndirməklə asanlıqla çaşdırıla bilər. Buna baxmayaraq, təkhüceyrəli genomlarla populyasiya genomikasını həyata keçirmək və beləliklə, yan addımlarla becərmə potensialı PopCOGenT-nin potensial üstünlüyüdür. Ümumiyyətlə, yaxından əlaqəli genomlar arasında çoxluqların və alt qrupların müşahidəsi göstərir ki, yalnız gen axınının təxminlərindən genetik və ekoloji vahidləri fərz etmək üçün istifadə edilə bilər. Ancaq bu vahidlər arasında düzgün sərhədlərin müəyyən edildiyinə necə əmin ola bilərik?

5. Proqnozlaşdırılan populyasiya strukturunun bioloji cəhətdən mənalı olub olmadığını necə yoxlaya bilərik?

Bu suala cavab vermək üçün genetik və ekoloji vahidlərin uyğun olması üçün uyğunlaşmaların növə və ya populyasiyaya xas şəkildə yayıla bilməsi arqumentinə qayıdırıq. Buna görə də kritik sınaq ən yaxın qohum olan bacı populyasiyalarını fərqləndirən xüsusiyyətlərin olub-olmamasıdır. Spesifikasiya modellərinin hər iki nümunəsi V. siklitrofikS. islandicus kimi xassələrin müəyyən oluna biləcəyini təklif edir [26,33]. Buna görə də, gen axını analizinin məntiqini populyasiyaya xas şəkildə süpürülən allellərin və genlərin müəyyən edilməsinə qədər genişləndirdik [32] (şəkil 4). Yenidən təhlil etdik Ruminococcus gnavus sağlam fərdlərdən, həmçinin Crohn xəstəliyi və xoralı kolitli xəstələrdən təcrid olunmuş genomlar [34]. PoCOGenT tətbiqi üç alt qrupa malik əlaqəli şəbəkəni göstərdi, bunlardan ikisi populyasiyaya məxsus allellər və ya genlər şəklində uyğunlaşmaları yoxlamaq üçün kifayət qədər nümunə götürülmüşdür [32]. Bu uyğunlaşmaların son vaxtlar populyasiyaya xas araşdırmalar nəticəsində meydana çıxması üçün, populyasiyaların genomları üzrə orta nukleotid müxtəlifliyi ilə müqayisədə onları kodlayan allellərdə və ya genlərdə xeyli azalmış müxtəliflik göstərməlidirlər.

Şəkil 4. Gen axını ilə müəyyən edilən populyasiyaların və növlərin əsas funksiyası onların adaptiv əlamətlərin yayıldığı və yayıldığı əsas vahidlər olmasıdır. Allellər populyasiya tərəfindən əldə edildikdə (ya de novo mutasiya və ya uzaq qohumdan üfüqi alınma yolu ilə), həmin allellər homoloji rekombinasiya yolu ilə eyni populyasiyanın digər üzvlərinə ötürülə bilər. Bundan əlavə, əgər bu əlamətlər ev sahibinin uyğunluğunu əhəmiyyətli dərəcədə artıran bir niş-spesifik fayda təmin edərsə, seçim sayəsində həmin populyasiyada sabitləşəcəklər. Nəticə etibarilə, genomları müqayisə edərkən bu bölgələrin əlamətdar xüsusiyyəti seçilmiş lokusda yerli olaraq azalmış nukleotid müxtəlifliyidir. Bu yaxınlarda selektiv yoxlamalardan keçmiş bu bölgələrin müşahidəsi proqnozlaşdırılan populyasiya strukturunun bioloji cəhətdən mənalı olduğunun faydalı təsdiqidir. Həqiqətən, təsadüfi əhali qrupları ardıcıl olaraq süpürülən bölgələrin müəyyən edilməsinə mane olur.

Orta populyasiya ilə müqayisədə əhəmiyyətli dərəcədə azalmış nukleotid müxtəlifliyinə malik genom bölgələrini müəyyən etmək üçün boru kəməri hazırlandıqda (şəkil 4), əsas genomda bir neçə allel və elastik genomda olan genlər hər iki populyasiyanı fərqləndirən müəyyən edilmişdir [32]. Bu bölgələrin hamısı əlaqəsiz idi və genom üzrə paylanmışdır ki, bu da onların bir-birindən müstəqil şəkildə yarandığını göstərir. Bu allellərin və genlərin bir çoxunu şərh etmək mümkün deyildi, lakin bir neçə kodlanmış səth zülalları, onların ətraf mühitlə əlaqə formasında iştirak etdiyini göstərir. Buna görə də, bu nəticələr, gen axınının rekombinasiya yolu ilə uyğunlaşmaların yayılmasına imkan vermək üçün populyasiyaya xas şəkildə kifayət qədər qərəzli olduğunu göstərir və düzgün ekoloji vahidlərin müəyyən edilməsinin güclü təsdiqi kimi xidmət edir.

6. Üfüqi gen transferi altında populyasiya strukturu necə inkişaf edə bilər?

Müasir gen axınında aydın şəkildə müəyyən edilmiş çoxluqların müşahidəsi, bəzi hallarda “rampant” [35] adlandırılan üfüqi gen transferinin müşahidələri ilə necə uzlaşdırıla bilər? Divergent genetik materialın bakterial və arxeal genomlara davamlı qəbulu və daxil edilməsinə dair çoxlu sübutlar mövcuddur [25]. Yəni, hər bir hüceyrə hər hansı bir anda istənilən sayda başqa mikrobdan yeni əldə edilmiş genləri saxlaya bilər. Divergent genlərin belə birləşməsi təcridlərin filogenetik qruplaşmasına təsir göstərsə də, burada təklif etdiyimiz kimi, populyasiyalar daxilində gen axını onların arasında olduğundan xeyli yüksək olarsa, populyasiya strukturunu maskalamaq üçün gen axını şəbəkəsini kifayət qədər pozmayacaq. Bundan əlavə, əgər gen axını kifayət qədər təsadüfi olarsa, o, populyasiyalar arasında ştammları az və ya çox təsadüfi bir şəkildə əlaqələndirəcək, beləliklə əlaqələr kifayət qədər strukturlaşdırılmamış olacaqdır. Həqiqətən də, əldə edilmiş genlərin çoxu, ehtimal ki, alıcının genomuna ən azı bir qədər zərərli olarsa, kifayət qədər tez itirilə bilər [11]. Beləliklə, populyasiyalar və bəlkə də növlər üfüqi gen köçürülməsi sayəsində həqiqətən qeyri-səlis vahidlərdir, lakin gen axını uyğunlaşmaların xüsusi bir şəkildə süpürülməsinə imkan vermək üçün populyasiyadaxili rekombinasiyaya kifayət qədər qərəzli olarsa, belə qeyri-səlislik onların ekoloji vahidlər kimi müəyyən edilməsini istisna etmir.

Fərqli mənbələrdən genetik materialın daimi nümunəsi, əslində, uyğunlaşma üçün xammal təmin edə bilər [11]. Təkamül innovasiyasının genlərin genomuna üfüqi əlavə edilməsi ilə yarana biləcəyi geniş şəkildə qəbul edilsə də, hətta allelik süpürgələrin populyasiya daxilində mutasiya ilə deyil, üfüqi şəkildə yaranma dərəcəsi bu yaxınlarda differensiasiya olunmuş yeniliklərin son təhlilində təəccüblü idi. Ruminokokk yuxarıda müzakirə olunan populyasiyalar. Müəyyən edə bildiyimiz adaptiv allellərin böyük əksəriyyəti üfüqi olaraq fərqli mənbələrdən əldə edilmişdir [32]. Eynilə, eyni polisaxaridin müxtəlif fiziki formaları üçün okean bakteriyalarının yaxından əlaqəli populyasiyalarını fərqləndirən adaptiv şüalanma genlərin əldə edilməsi və itirilməsi dinamikasına əsaslanırdı [36]. Hətta eyni polisaxarid liazların çoxsaylı nüsxələri, hər genomda yeddi nüsxədə mövcud olan bəzi fermentlər də daxil olmaqla, dublikasiyadan daha çox köçürmə yolu ilə yaranmışdır. Bu müşahidələr müxtəlif genomların əvvəlki analizinə uyğundur ki, bu da eyni genom daxilində genlərin təkrarlanmasının mikroblarda nadir olduğunu göstərdi [37]. Bu, duplikasiyaların ümumi olduğu və təkamül innovasiyasının genom daxilində mutasiya nəticəsində yarandığı eukariotlardan əsas fərqdir [38].

7. Əhali strukturunun proqnozlarına dair potensial xəbərdarlıqlar hansılardır?

Nəzərə alsaq ki, indiyə qədər əldə edilən nəticələr təəccüblü dərəcədə yüksək təcrid olunmuş gen axını qruplarının mövcudluğunu nümayiş etdirir, üfüqi köçürmənin populyasiya strukturunu maskalaya və ya silə biləcəyi potensial ssenarilər varmı? Bu aspekt zəif tədqiq edilir, lakin ən azı bir neçə ssenari təsəvvür edilə bilər. Mikroblar arasında rekombinasiya dərəcələri olduqca dəyişkəndir [32,39] və çox aşağı olarsa, başqa bir populyasiyadan daha böyük bir gen dəstinin daxil edilməsi nəzərdən keçirilən populyasiyada genomların alt dəsti ilə güclü əlaqə yarada bilər, bu da populyasiya strukturunun təhlilini çaşdırır. . Ən çox ehtimal olunan ssenari, həm donor, həm də alıcı populyasiyada müsbət seçim altında olan və beləliklə, genomların böyük bir hissəsini birləşdirən böyük mobil genetik elementi (MGE) alan aşağı rekombinasiya nisbətlərinə malik olan populyasiyadır. Belə bir hal, məsələn, antibiotik müqavimətli plazmidin güclü antibiotik seçimi altında mikrobiomdan keçdiyi halda baş verə bilər. Beləliklə, populyasiya strukturunun MGE-lərlə və ya onsuz sınaqdan keçirilməsi və ya antibiotik müalicəsinə məruz qalmamış nümunələrdən yaxından əlaqəli genomların daxil edilməsi məqsədəuyğundur. Üstəlik, ola bilsin ki, bir-biri ilə əlaqəli iki populyasiya birdən-birə bəzi ekoloji dəyişikliklərə görə oxşar nişlər tutur. Birgə baş verən bu cür dəyişiklik, xüsusən seçim altında olarsa, gen axınının artmasına imkan verə bilər və bəziləri üçün nəzərdə tutulduğu kimi despesiasiyaya səbəb ola bilər. Campylobacter heyvan mikrobiomlarında növlər [40]. Baxmayaraq ki, bu tip vəziyyətlər təhlil etdiyimiz model sistemlərdə müəyyən edilənlərdən daha az aydın olan populyasiya strukturuna gətirib çıxara bilər, gen axını nümunələri buna baxmayaraq, bioloji cəhətdən aktualdır və ətraf mühitin seçilməsi ilə bağlı maraqlı fərziyyələrə səbəb ola bilər.

Biz vurğulayırıq ki, hər hansı əhali strukturu proqnozu özlüyündə bir fərziyyədir və seçmə və digər amillərdən təsirlənə biləcəyi üçün diqqətlə təhlil edilməlidir. Bununla belə, biz hesab edirik ki, əgər populyasiyalar gen-spesifik süpürgələr kimi spesifik uyğunlaşma imzalarını daşıyırsa (şəkil 4), bunlar proqnozlaşdırılan populyasiyanın ekoloji vahidi və buna görə də icma ekologiyası üçün ən uyğun vahidi təmsil edən ən güclü sübut kimi xidmət edir. .

8. Gen axını ilə müəyyən edilən populyasiyaların əsas xüsusiyyətləri hansılardır?

Burada müəyyən edilən populyasiyaların diqqət çəkən cəhətlərindən biri onların əsas genomlarında, yəni hamı tərəfindən paylaşılan genlərdə nisbətən aşağı nukleotid müxtəlifliyinə malik olmasıdır. İndiyədək təhlil edilən həm bakteriyaların, həm də arxeyaların genomları, adətən, populyasiyalar daxilində nukleotid ardıcıllığında 98%-dən çox oxşardır ki, bu da populyasiya strukturunun proqnozlaşdırılması üçün fərqli yanaşmadan əldə edilən məlumatlara uyğundur [41]. Bu cür yüksək oxşarlıq eyni zamanda populyasiyalar daxilində homoloji rekombinasiyanın effektiv qalmasını təmin edərdi, çünki onun sürəti ardıcıl divergensiya ilə eksponent olaraq azalır [19,20]. Onu da qeyd etmək lazımdır ki, bu aşağı dəyərlər heyvan və bitki növləri daxilində nukleotid müxtəlifliyi ilə kifayət qədər uyğundur. Məsələn, insan genomları insan istinad insan genomu ilə müqayisədə nukleotid yerlərinin ən çoxu 0,2%-i ilə fərqlənir [42].

Gen axını ilə müəyyən edilən populyasiyalar növlərin yerli nümayəndələri kimi qəbul edilərsə, onlar populyar növ tərifinin əsasına çevrilmiş orta nukleotid eyniliyinin (ANI) müqayisəsi nəticəsində yarananlardan əhəmiyyətli dərəcədə daha dar müəyyən edilir [43,44]. . ANI müxtəlif genom qrupları arasında müqayisə edildikdə, adətən minimum 95% ANI-də müşahidə olunur, ehtimal edilən növ sərhədi [44]. Bununla belə, bu sərhəd bəzi rekombinasiya üsulları ilə təxmin edilən populyasiya sərhədləri ilə bağlı yuxarıda qeyd edilənlərə oxşar səbəblərə görə populyasiya və ya növ sərhədlərinə uyğun gəlmir. Gen axını spesifikasiyaya görə azaldıqdan sonra yeni yaranan növlər arasında genetik oxşarlıq pozulacaq, çünki rekombinasiya artıq homojenləşdirici qüvvə kimi çıxış etmir [25]. Bununla belə, bu çürümə yavaş bir prosesdir və genetik oxşarlıq siqnalının minimuma çatması xeyli vaxt tələb edir [32]. Beləliklə, populyasiya və ya növ sərhədi 95% oxşarlıq dəyəri daxilində yerləşə bilər və ən əsası, son zamanlar müəyyən edilmiş populyasiyalar tanınmaya bilər, çünki onların genomları kifayət qədər fərqlənməmişdir, bu yaxınlarda nümayiş etdirildiyi kimi ekoloji və ya xəstəlik birliklərini maskalamışdır [26,32,45] . Beləliklə, onların sadəliyi üçün müraciət edərkən, ANI minimumlarının bioloji mənalı növlərin sərhədlərini müəyyən edə biləcəyi sual altındadır.

Gen axını ilə müəyyən edilən populyasiyaların daha bir mühüm xüsusiyyəti pan-genomun kifayət qədər böyük ölçüdə qalmasıdır [46]. Yəni, genomların paylaşılan genlər arasında çox yaxından əlaqəli olmasına baxmayaraq, paylaşılmayan xeyli sayda gen nümayiş etdirirlər. Bu genlərin çoxu qeyd olunmamış qalır və populyasiya biologiyası üçün onların rolu qeyri-müəyyəndir. Bununla belə, çevik genomun ən azı qismən mənfi tezlikdən asılı seçim altında ola biləcəyini göstərən misalların sayı getdikcə artır. 46]. Bu təsir xüsusilə ictimai sərvət istehsalı və yırtıcılıq kimi orqanizmlərin qarşılıqlı təsiri üçün güclü ola bilər. Məsələn, bəzi genotiplər tərəfindən sideroforların istehsalının istehsal genləri olmayan, lakin qəbuledici genləri saxlayan fırıldaqçıların təkamülü ilə müşayiət olunduğu göstərilmişdir [47,48]. Üstəlik, viral reseptorlar və müdafiə genləri tez-tez çevik genomlara salınır ki, bu da onların populyasiyanı məhv edən spesifik viruslara qarşı qorunma kimi populyasiyalar daxilində yüksək bolluğa yüksələ bilməyəcəyini göstərir [46,49,50]. Nəhayət, artan sübutlar var ki, bu cür çevik genom bölgələri cinah bölgələrinin homoloji rekombinasiyası yolu ilə üstünlüklə populyasiyalar arasında paylaşıla bilər, belə ki, təkrar-təkrar de novo əldə etmək əvəzinə, bir çox çevik bölgələr populyasiyanın biologiyasının bir hissəsidir [46].

9. Ətraf mühitdə müxtəlifliyin ölçülməsi üçün hansı nəticələr var?

Gen axınına əsaslanan populyasiya strukturunun fərziyyə edilməsi və sonra populyasiyaya xas süpürgələrin identifikasiyası ilə fərziyyənin sınanması yanaşması yalnız genomik məlumatlardan ekoloji vahidləri proqnozlaşdıran tərs ekoloji yanaşmaya imkan verir [32,51]. Bu yolla, yanaşma güclü seçim altında allelləri və genləri vurğulamaqla mikrob populyasiyalarında şaxələnməyə səbəb olan mühüm dəyişənləri müəyyən etmək üçün qərəzsiz bir çərçivə təmin edə bilər. Beləliklə, bu yanaşma ştammların ətraf mühitin qradiyenti boyunca düşdüyü yeri dəqiq ölçə bilmək üçün aqnostik olan mikrob niş məkanını ayırd etmək üçün unikal obyektiv təqdim edir. Əlbəttə ki, hər hansı bir genomik yanaşmaya əsaslanan ekoloji diferensiallaşmaya dair birbaşa fikirlər gen annotasiyalarının düzgünlüyündən çox asılıdır və bu, hazırda ən yaxşı halda qeyri-bərabərdir. Lakin əks ekologiya yanaşması eyni zamanda, molekulyar genetika və ya struktur analiz kimi digər yanaşmalarla daha da xarakterizə edilməli olan müvafiq genlər üçün fərziyyələrin formalaşmasına kömək edə bilər və beləliklə, hər yerdə mövcud olan annotasiya probleminin həlli istiqamətində daha strukturlaşdırılmış yanaşma qurmağa kömək edə bilər.

Seçim altında olan yerlər ətraf mühit nümunələrində populyasiyaların bolluğunu qiymətləndirmək üçün xüsusilə faydalıdır, çünki onların populyasiyadaxili müxtəlifliyi olduqca aşağıdır, populyasiyalar arasındakı müxtəliflik isə daha yüksəkdir, çünki indiyə qədər sübutlar göstərir ki, əksər lokuslar fərqli mənbələrdən üfüqi gen transferi nəticəsində yaranmışdır. 32]. Bu xüsusiyyətlər o deməkdir ki, süpürgə lokusları ətraf mühit nümunələrində çox yüksək dəqiqliklə aşkar edilə bilər və onların rekombinogen orqanizmlərin genomunda yayılması mürəkkəb icmalarda populyasiyaların bolluğunun qiymətləndirilməsində statistik güc əlavə edir. Müvafiq olaraq, mikrob icmalarından çıxarılan DNT-nin ov tüfəngi metagenomları çoxsaylı nümunələrdə çoxsaylı lokusların bolluğunu kəmiyyətcə qiymətləndirmək üçün əlverişli bir yol təqdim edir. Bununla belə, hədəf populyasiyalar öz mühitlərində nadir olduqda bu yanaşma məhdud istifadə olunur. Süpürmə yerləri, həmçinin, daha yüksək həssaslıq tələb olunarsa, tədqiqatçılara müxtəlif nümunələrdə populyasiyaların bolluğunu sürətlə ölçməyə imkan verən rəqəmsal polimeraza zəncirvari reaksiya kimi yüksək ayırdetmə analizləri üçün hədəf ola bilər. Bu bölgələr də flüoresans üçün hədəf ola bilər yerində hibridləşdirmə zondları ətraf mühitdə nə qədər yaxından əlaqəli populyasiyaların fərqli şəkildə paylandığını birbaşa vizuallaşdırmaq üçün. Biz nəzərdə tuturuq ki, bu, çox vaxt mikrob qruplarının kobud ətraf mühit dəyişənləri üzərində xəritələşdirilməsinə və sonra potensial fərqləri tapmaq üçün genomikadan istifadə etməyə əsaslanan ənənəvi irəli ekoloji yanaşmaların səmərəliliyini çox aşan incə miqyaslı ekoloji birliklərin daha məqsədyönlü sınaqdan keçirilməsinə imkan verəcəkdir [12].

Gen axını ilə müəyyən edilən populyasiyalar mikrob populyasiyalarının ətraf mühit nümunələri üzərində xəritəsini çəkmək üçün tez-tez istifadə edilən 16S rRNA gen ardıcıllığı ilə mikrob müxtəlifliyinin ənənəvi ölçülməsi ilə necə müqayisə edilir? Bu suala cavab vermək üçün biz təsvir etdiyimiz öz işimizdən nümunə götürürük Vibrionaceae bakteriya okean suyunda birlikdə yaşayan populyasiyalara çevrilir. Biz adətən təcridlərin incə miqyaslı ekoloji nümunələri, protein marker genlərinin ardıcıllığı və genetik müxtəlifliyi ətraf quruluşla əlaqələndirmək üçün riyazi modelləşdirmənin tətbiqi ilə müəyyən edilmiş təxminən 20 və ya daha çox birlikdə mövcud olan populyasiyaları tapırıq [52-55]. Bu populyasiya proqnozları bu yaxınlarda zülal marker genlərindən birinin birbaşa müqayisəsinə imkan verən daha sadə gen axını analizi [32] ilə təsdiq edilmişdir.hsp60) nümunələrdə ekoloji vahidləri fərqləndirmək potensialına görə əməliyyat taksonomik vahidlərini (OTU) müəyyən etmək üçün istifadə edilən müxtəlif 16S rRNA gen fraqmentləri ilə.

Bu müqayisə, gen axını ilə müəyyən edilmiş populyasiyalarla müqayisədə 16S rRNA genlərinin narahatedici dərəcədə aşağı rezolyusiyasını göstərir (şəkil 5). Xüsusilə yüksək məhsuldarlıq ardıcıllığında istifadə olunan 16S rRNA etiketləri ekoloji populyasiyalar üçün mahiyyətcə sıfır ayırdetmə qabiliyyətinə malikdir. Tam uzunluqlu gen üçün bu, yalnız bir qədər yaxşıdır, bu da spesifikasiyanın 16S rRNA genlərinin ayırdetmə qabiliyyətini çox üstələdiyini göstərir. Bu o deməkdir ki, ətraf mühit nümunələrində populyasiyaların ekoloji dinamikasına gəldikdə genin çox məhdud məlumatı var və unikal ardıcıllıq bir çox ekoloji cəhətdən fərqlənmiş populyasiyaları maskalaya bilər, bu təsir, ardıcıllığın fərqliliyi baxımından daha geniş OTU-lar təyin olunduqca daha da pisləşir.

Şəkil 5. 16S rRNT gen ardıcıllığı klasterləri ekoloji cəhətdən fərqlənən 14 gendən 0-7-ni ayırd edə bilir. Vibrionaceae populyasiyalar ardıcıllığın uzunluğundan və klasterləşmə kəsikindən asılı olaraq, qruplar isə hsp60 marker gen hamısını və ya demək olar ki, hamısını ayırd edə bilir. Filogenez 52 birləşmiş ribosom zülalına əsaslanır. Kölgəli qutu bir taksonun verilmiş gen uzunluğu və klasterləşdirmə üsulu ilə unikal şəkildə fərqlənə biləcəyini, ağ qutu isə bir taksonun ən azı bir gen klasterində ən azı bir başqa taksonla birləşdirildiyini göstərir. Yaşayış yerlərinin paylanması təsvirləri Preheim tərəfindən üç müxtəlif nümunə dəsti üzrə populyasiyaların paylanmasının kəmiyyət təhlilindən əldə edilmişdir. və b. [54]. Yaşayış yeri təsviri olmayan taksonlar məhdud nümunə götürüldüyü üçün həmin analizdən çıxarılmışdır. (Rəngli onlayn versiya.)

Nəzərə alsaq ki, gen axını ilə populyasiya strukturunun proqnozlaşdırılması üçün izolatlar və ya tək hüceyrəli genomlar tələb olunur, metagenomlarda növlər və populyasiyaların identifikasiyası üçün hazırlana bilən bir proxy varmı? Potensial olaraq bəli. Müəyyən etdiyimiz populyasiyaların maraqlı bir xüsusiyyəti, onların təxminən eyni ribosomal zülal ardıcıllığı ilə kifayət qədər yaxşı yaxınlaşmasıdır [32,45]. Baxmayaraq ki, bunlar üçün bəzi strukturlar sürətli spesifikasiyaya görə maskalana bilər, lakin bu genlər populyasiya strukturu üçün daha dəqiq bir vəkil kimi xidmət edə bilər. Bu müşahidənin bir çox taksonda daha geniş olub-olmaması daha böyük verilənlər bazasında araşdırılmalı olacaq [56], lakin əsas odur ki, eyni ribosom zülalları metagenomik məlumat dəstlərindən çıxarıla bilər və onların dinamikası beləliklə asanlıqla təhlil edilə bilər [57]. Buna görə də, növlər və populyasiya dinamikası metagenomik nümunələrdə maraq doğurduqda, ribosom zülallarını hədəf almağı tövsiyə edirik.

10. Yekun nitq

Populyasiyaların eyni zamanda ekoloji vahidlər olan gen axını klasterləri kimi müəyyən edilməsi, uzun müddət populyasiyaların qeyri-səlis tərifindən əziyyət çəkən mikrobiologiya üçün böyük təsirlərə malikdir [2]. Biz təklif edirik ki, yaxından əlaqəli genomların kolleksiyalarından ölçülən son gen axını fərqləndirmənin nisbətən erkən mərhələlərində belə populyasiya sərhədlərini aydın şəkildə müəyyən edə bilər. Bu populyasiyalar, müsbət seçimin uyğunlaşmaları spesifik və eksklüziv şəkildə yaya biləcəyini göstərən bu yaxınlarda fiksasiya üçün süpürülən allellər və genlərlə xarakterizə olunur. Bu cür gen spesifik süpürgələrin müəyyən edilməsi həm populyasiyanın sərhədlərinə inamı təmin edir, həm də populyasiyaları bir-birindən fərqləndirən son uyğunlaşmaların fərziyyələrini yaradır. Beləliklə, bu populyasiyalar, makroekologiya və təkamüldə populyasiyalara necə baxıldığına bərabər olan adaptiv optimallaşdırılmış bakteriya və arxe vahidləri kimi qəbul edilə bilər. İcma ekologiyasını öyrənmək istədiyimiz zaman bu cür populyasiyalar əhəmiyyət kəsb edir, çünki onlar biotik və abiotik amillərlə əlaqəni daha dəqiq müəyyən etməyə imkan verir.

Nəhayət, burada müəyyən edilmiş bir çox populyasiyanın çox yüksək dərəcədə genetik izolyasiya nümayiş etdirdiyini nəzərə alsaq, növlərin reproduktiv cəhətdən təcrid olunmuş orqanizmlər qrupları olduğunu irəli sürən bioloji növ konsepsiyasına müraciət etmək cazibədardır [58]. Bununla belə, vurğulayırıq ki, burada təqdim olunan bakteriya və arxeya üçün təhlillər, ilk növbədə, yüksək miqrasiya ilə əlaqəli ayrı yerlərdə yaşayan və ya bir yerdə yaşayan orqanizmləri nəzərdə tutur. Burada qeyd etdiyimiz kimi, bu cür populyasiyaların genetik təcrid edilməsi seçim yolu ilə həyata keçirilə bilər. Bununla belə, bir çox növlərin bir xüsusiyyəti, onların müxtəlif dərəcədə gen axını ilə əlaqəli coğrafi cəhətdən ayrı populyasiyalardan ibarət olmasıdır. Belə strukturun klasterlərin təsvirinə necə təsir etdiyi açıq sual olaraq qalır, lakin bu, bakteriya və arxeya üçün bioloji mənalı növ konsepsiyasının axtarışında müəyyən etmək üçün vacib olacaq.


Nəticələr

Yekun olaraq, bu iş izah olunmayan SCD diaqnozunda qarşılaşdığımız çətinlikləri vurğulayır. Biz BrS-dən struktur olaraq normal ürəkdə izah olunmayan qəfil ölüm paradiqması kimi istifadə etdik. Biz göstəririk ki, qurbanda genetik qüsurun müəyyən edilməsi dəqiq diaqnozun qoyulmasına bərabər deyil. Müəyyən edilmiş genetik qüsurlar BrS, LQTS, CPVT və ARVC-nin potensial diaqnozunu təmin etmişdir. Kütləvi paralel ardıcıllıq, genetik məlumatlardan fenotipi təyin etməyin həmişə mümkün olmadığını təsdiqləyir. Funksional analizlərin daxil edilməsi dəqiq diaqnozun təyin edilməsi üçün müəyyənedici ola bilər, lakin bu, indiki dəyişkənliyin aşkarlanması sürətində mümkün deyil. Buna görə də, NGS texnologiyasının tətbiqi NGS-dən əvvəlki dövrlə müqayisədə daha çox sualın cavabsız qalmasına səbəb oldu. Bu, böyük gen siyahıları sorğu-sual edildikdə həmişə bu yanaşmalarda ortaya çıxan gözlənilən bir problem idi. Bu genlərin ardıcıllıq prosesi saxlanmalı, təhlil edilməli və bioloji və klinik olaraq şərh edilməli olan böyük miqdarda məlumat verir. NGS vasitəsilə genetik diaqnostika hələ də problemdir, çünki onun klinik diaqnostikaya tətbiqi ilk növbədə aşkar edilmiş nadir genetik variasiyaların əhəmiyyətinin daha yaxşı başa düşülməsi üçün beynəlxalq səy tələb edir.Hazırkı işin əsas məqsədlərindən biri NGS-nin klinik (və məhkəmə-tibbi) diaqnostikaya tətbiqini qiymətləndirməkdir. Nəticələrimizin təhlilindən sonra bu məqsədi qiymətləndirmək çətin və yalnız tanış perspektivdən mümkün görünür. Bununla belə, seqreqasiya tədqiqatını genişləndirmək üçün qohumların mövcudluğu ilə belə, genetik diaqnozu təxmin etmək hələ də çətindir. Əvvəllər BrS ilə əlaqəli olmayan bir neçə gendə yeni, ehtimal edilən xəstəlik, nadir genetik variantların aşkarlanması tədqiqatın məntiqi nəticəsidir. Bu genlərin xəstəliyə assosiasiyası funksional tədqiqatlar vasitəsilə daha da qiymətləndirilməli və klinik diaqnoz üçün genetik cəhətdən yekun hesab edilməzdən əvvəl müxtəlif kohortlarda təkrarlanmalıdır. Bir neçə səbəb, yuxarıda təsvir edilən genlərin, altında yatan genetik mexanizmləri daha yaxşı başa düşmək üçün tədqiqat məqsədləri üçün namizəd genlər hesab edilməsini dəstəkləyir. Bu səbəblərə bu genlər tərəfindən kodlanan zülalların rolu, ümumi populyasiyalarda genetik variasiyaların aşağı tezliyi və ya olmaması, onların potensial patogenliyi qiymətləndirilir. silisiumda və mümkün olduqda, seqreqasiya təhlili ilə. Bu faktlar aşkar edilmiş genetik dəyişkənliyin patogen rolunu göstərir. Bununla belə, alqoritmi tətbiq etdikdən sonra, əsasən müxtəlif tanış kohortlarda funksional tədqiqatların və genotip-fenotip analizinin olmaması səbəbindən onlar VUS kimi qəbul edilir. Nadir variantların VUS kimi qalması adi haldır. Bu müşahidə natamam penetranlıq və müşahidə olunan dəyişkən ifadəlilik ilə patologiyaların xarakterik xüsusiyyətləri ilə uyğun gəlir. Aşkar edilmiş variasiyaların patogen rolunu müəyyən etmək üçün, BrS-nin altında yatan mutasiya spektri haqqında anlayışı daha da artırmaq üçün beynəlxalq səylərin bir hissəsi kimi digər tanış kohortlarda genotip-fenotip korrelyasiyaları tələb olunur. Bu istiqamətdə, bir neçə BrS kohortu daxil olmaqla, beynəlxalq konsorsiumlardan GWAS təhlili (mövcuddur) nəşr edilmişdir və hazırda da inkişaf etdirilir. Bu nəticələr aydınlaşdırıcı və qiymətləndiriləcək yeni tədqiqat perspektivlərini açacaq,

Texnoloji tərəqqi onu klinik arenada tətbiq etmək imkanlarımızdan daha sürətli olmuşdur. İştirak edən genlər, nadir və ümumi genetik variantlar və dəyişdirici amillər baxımından genetik arxitektura kompleks qərarlar şəbəkəsi yaradır ki, onu yalnız ailə kontekstində diqqətli klinik və genetik şərh yolu ilə açmaq olar. Bu, dəqiq və hərtərəfli ailə araşdırmasına ehtiyacı gücləndirir, həm də bu NGS testlərinin dəyərini, həm də məhdudiyyətlərini başa düşmək üçün məlumatların sahə üzrə mütəxəssislər tərəfindən idarə olunmasının vacibliyini gücləndirir.


Gizli genetik keçidi anlamaq üçün təkamülü simulyasiya etmək

Ağlabatan fərziyyələr əsasında qurulmuş və diqqətli nəzarət altında aparılan kompüter simulyasiyalarından istifadə edərək, hesablayıcı bioalimlər real bioloji şəraiti təqlid edə bilərlər. Əsl qurucu əhalidən (qədim faza) başlayaraq, onlar aralıq fazanı inkişaf etdirmək üçün əhalini bir neçə min nəsil üzərində təkmilləşdirə, sonra isə törəmə mərhələni inkişaf etdirmək üçün həmin nəsli daha bir neçə min nəsil təkmilləşdirə bilərlər. Kredit: © 2021 KAUST Anastasia Serin

Bəzi orqanizmlər daxili keçidi təkmilləşdirirlər ki, bu da stress baş verənə qədər nəsillər boyu gizli qala bilər.

On minlərlə nəsil ərzində inkişaf edən hüceyrələrin kompüter simulyasiyaları bəzi orqanizmlərin bəzi xüsusiyyətlərini dəyişdirərək ciddi stress altında işə salınan istifadə edilməmiş keçid mexanizmini niyə saxladığını ortaya qoyur. Bu “gizli” keçidin saxlanması orqanizmlərin normal şəraitdə yüksək dərəcədə gen ifadəsi sabitliyini saxlamaq üçün bir vasitədir.

Pomidor buynuz qurdunun sürfələri daha isti bölgələrdə yaşıl olur, bu da kamuflyajı asanlaşdırır, lakin daha soyuq temperaturda qara olur ki, daha çox günəş işığını udsun. Bəzi orqanizmlərdə rast gəlinən bu fenomen fenotipik keçid adlanır. Normalda gizli olan bu keçid təhlükəli genetik və ya ətraf mühit dəyişikliklərinə cavab olaraq aktivləşdirilir.

Alimlər adətən bir çox nəsillər ərzində müxtəlif şəraitlərdə orqanizmlərin məruz qaldıqları dəyişiklikləri araşdıraraq bu prosesi öyrənmişlər. Bir neçə il əvvəl, məsələn, bir komanda pomidor buynuz qurdunun qohumlarında baş verənlərə bənzər rəng dəyişikliklərini müşahidə etmək və təhrik etmək üçün tütün buynuz qurd sürfələrinin nəsilləri yetişdirdi.

"Kompüter simulyasiyaları ağlabatan fərziyyələr üzərində qurulduqda və diqqətli nəzarət altında aparıldıqda, real vəziyyəti təqlid etmək üçün çox güclü bir vasitədir" dedi KAUST hesablama bioalimi Xin Gao. "Bu, elm adamlarına yaş laboratoriya təcrübələri ilə müşahidə etmək çox çətin və ya qeyri-mümkün olan prinsipləri müşahidə etməyə və anlamağa kömək edir."

Gao və KAUST tədqiqatçısı Hiroyuki Kuwahara 1000 aseksual mikroorqanizmlərin təkamülünün kompüter simulyasiyasını hazırladı. Hər bir orqanizmə xüsusi bir protein X-in ifadəsini tənzimləmək üçün bir gen dövrə modeli verildi.

Simulyasiya əhalini 90.000 nəsildən çox inkişaf etdirdi. Orijinal qurucu populyasiya eyni keçid etməyən gen sxemlərinə malik idi və sabit şəraitdə birlikdə qədim populyasiya adlanan 30.000-dən çox nəsil təkamül etdi. Aralıq əhali adlanan sonrakı 30.000 nəsil, hər 20 nəsildən bir dəyişən mühitlərə məruz qaldı. Son 30.000 nəsil, törəmə əhali sabit mühitə məruz qaldı.

Sabit mühitlərdə təkamül edən qədim və törəmə populyasiyalardakı fərdlərin hər ikisi sabitlik üçün optimallaşdırılmış gen ifadə səviyyələrinə malik idi. Ancaq onlar fərqli idi: qədim populyasiyanın sabitliyi fenotipik keçidi əhatə etmirdi, törəmə populyasiya isə bunu edirdi. Fərq, Kuwahara izah edir, dəyişən şərtlərlə mübarizə aparmaq üçün keçidə üstünlük verilən ara əhalidən qaynaqlanır.

Simulyasiyalar göstərir ki, orqanizmlərin populyasiyaları dəyişkən şəraitdə asanlıqla dəyişən aşağı hədli açarları, ətraf mühit daha sabit olduqda yüksək eşik açarlarına tədricən təkamül etməklə ətraf mühitin sabitliyi müddətində öz keçid mexanizmlərini qoruyurlar.

Kuwahara deyir ki, bu, kiçik mutasiya dəyişiklikləri ilə qeyri-kafi vəziyyətə qayıtmaqdan daha asandır. "Əvəzində biz təkamül kondensatoru kimi fəaliyyət göstərən, genetik varyasyonları saxlayan və əhəmiyyətli təlaşlar halında alternativ fenotipləri buraxan bir növ"gizli" fenotipik keçidlə nəticələnirik" dedi Kuwahara.

Komanda növbəti dəfə daha mürəkkəb bioloji sistemləri öyrənmək üçün kompüter simulyasiyalarından istifadə etməklə yanaşı, yaş laboratoriya təcrübələri aparan tədqiqatçılarla da interaktiv əməkdaşlıq etməyi planlaşdırır. Onların məqsədi eksperimental olaraq təsdiq edilə bilən nəzəri çərçivələri inkişaf etdirməkdir.

İstinad: “Gen ifadəsinin sabitliyini artırmaq strategiyası kimi gizli açarların sabit saxlanılması”, Hiroyuki Kuwahara və Xin Gao, 14 yanvar 2021-ci il, Təbiət Hesablama Elmi.
DOI: 10.1038/s43588-020-00001-y


Metodlar

Etika bəyanatı

Klinik nümunələr Malavi, Blantyre Tibb Kollecində və Merilend Universitetində, Baltimorda etika komitələri tərəfindən təsdiq edilmiş protokollar əsasında toplanmışdır. Yazılı məlumatlı razılıq tədqiqat iştirakçıları və ya onların qəyyumları tərəfindən verilmişdir.

Tədqiqat dizaynı və nümunələri

Parazit təcridləri Malavinin cənubundakı Çixvava rayonunda aparılan uzununa kohort tədqiqatının iştirakçılarından toplanıb. İştirakçılar və tədqiqat prosedurları haqqında təfərrüatlar daha əvvəl Buchwald tərəfindən təsvir edilmişdir və b [29]. Qısaca olaraq, 2014-cü ilin iyunundan 2015-ci ilin martına qədər Mfera Sağlamlıq Mərkəzinə ağırlaşmamış malyariya ilə müraciət edən 120 uşaq və böyük iki il ərzində hər ay izlənilib. Qan nümunələri hər aylıq ziyarətdə və malyariya əlamətləri ilə Sağlamlıq Mərkəzinə müraciət edən bütün planlaşdırılmamış səfərlərdə toplanmışdır. Hər ziyarət üçün həm mikroskopiya, həm də PCR ilə parazitemiya diaqnozu qoyuldu. Bu tədqiqatda təhlil edilən məlumatlar passiv təqib zamanı müəyyən edilmiş simptomatik, ağırlaşmamış malyariya infeksiyalarından toplanmış qırmızı qan hüceyrəsi qranullarından əldə edilmişdir. Mikroskopiya ilə müəyyən edilən nümunə götürülmüş infeksiyaların orta parazitemiyası 21,960 parazit/μL olub və 0 parazit/μL (lakin sürətli diaqnostik testlə müsbət olub) ilə 241,260 parazit/μL arasında dəyişib. Bütün nümunələrin müsbət olduğu təsdiqləndi P. falciparum PCR ilə. Təhlillərə yalnız müstəqil infeksiyaların daxil edilməsini təmin etmək üçün <14 gün ilə ayrılmış fərd daxilində infeksiyalar xaric edilmişdir. Qırmızı qan hüceyrəsi qranullarından DNT Zeynəbadinin üsulu ilə çıxarılıb və b [68]. Çıxarılan DNT, Şah tərəfindən təsvir edilən optimallaşdırılmış selektiv bütün genom gücləndirmə yanaşmasından istifadə edərək parazit DNT üçün zənginləşdirilmişdir. və b [65].

Bütün genom ardıcıllığı

Genomik DNT kitabxanaları KAPA Kitabxana Hazırlama Kitindən (Kapa Biosystems, Woburn, MA) istifadə edərək ardıcıllıq üçün qurulmuşdur. DNT (≥ 200 ng) Covaris E210 ilə parçalandı

200 bp. Kitabxanalar istehsalçının protokolunun dəyişdirilmiş versiyasından istifadə etməklə hazırlanmışdır. DNT enzimatik reaksiyalar arasında təmizləndi və kitabxana ölçüsü seçimi AMPure XT muncuqları ilə aparıldı. Kitabxanalar LabChip GX-də (Perkin Elmer, Waltham, MA) DNT Yüksək Həssaslıq Təhlilindən istifadə edərək konsentrasiya və fraqment ölçüsü üçün qiymətləndirilmişdir. Kitabxana konsentrasiyaları həmçinin KAPA Library Quantification Kit istifadə edərək qPCR ilə qiymətləndirilmişdir. Kitabxanalar birləşdirilmiş və sonradan 150 bp cütləşdirilmiş oxunuş yaratmaq üçün Illumina HiSeq 4000 (Illumina, San Diego, CA) üzərində ardıcıllaşdırılmışdır.

Xəritəçəkmə və SNP çağırışını oxuyun

Ardıcıllıq məlumatları, xam fastq fayllarını Bowtie2 [69] istifadə edərək 3D7 istinad genomuna uyğunlaşdırmaqla təhlil edildi. Binary Alignment Map (BAM) faylları təhlilə hazır oxunuşları əldə etmək üçün GATK Best Practices iş prosesindən sonra işlənmişdir [70,71]. Bedtools [72] işlənmiş oxunuşlardan əhatə dairəsi və dərinlik təxminləri yaratmaq üçün istifadə edildi və variant çağırışı üçün GATK Ən Yaxşı Təcrübələr iş axını izləndi [70,71]. Haplotype Zəng edən hər bir nümunə üçün genomik variant zəng formatı (GVCF) faylları yaratmaq üçün istifadə edilmiş və birgə SNP Zəngi həyata keçirilmişdir (GATK v3.7). Variantlar aşağıdakı filtrləmə meyarlarına cavab verdikdə silindi: dərinliyə görə variant güvəni/keyfiyyəti (QD) < 2.0, strand meyli (FS) > 60.0, Xəritəçəkmə keyfiyyətinin kök orta kvadratı (MQ) < 40.0, Xəritəçəkmə keyfiyyət dərəcələri cəmi (MQRankSum) ) < -12,5, oxu mövqe rütbəsi cəmi (ReadPosRankSum) < -8,0, keyfiyyət (QUAL) < 50. >20% itkin genotipləri olan variant saytlar və >30% itkin məlumatı olan nümunələr vcftools istifadə edərək əlavə olaraq silindi. Ən azı iki nümunədə kiçik allel olmadıqda variantlar da çıxarıldı. Əlavə analiz üçün yalnız əsas genomdan istifadə edilmişdir ki, bu da əvvəllər genomun yüksək dəyişkən telomerik və sentromerik bölgələrinin xaric edilməsi ilə müəyyən edilmişdir [73]. ≥ 20 oxunuşla əhatə olunan genomun orta faizi 88,9% idi [65]. Keyfiyyətə nəzarət filtrləri tətbiq edildikdən sonra əsas genomda 55,970 SNP, o cümlədən 22,177 qeyri-sinonim SNP, gen başına orta hesabla 11,6 variant çağırıldı.

İmmunitet statusunun tərifi

Kliniki malyariyaya qarşı toxunulmazlıq dərəcəsi simptomatik infeksiyaların hamısının nisbətinə əsasən müəyyən edilmişdir. P. falciparum iki illik tədqiqat zamanı hər bir tədqiqat iştirakçısının yaşadığı infeksiyalar. Ekspozisiyanı nəzərə almaq üçün simptomatik və asimptomatik infeksiyalar da daxil olmaqla, ümumi infeksiyası beşdən az olan şəxslər analizdən çıxarılıb. Simptomatik infeksiyaların median nisbəti fərdləri daha yüksək və aşağı toxunulmazlıq qruplarına bölmək üçün kəsmə kimi istifadə edilmişdir. Tədqiqatımızın məhdud nümunə ölçüsü immun statusunu ordinal dəyişən kimi təsnif etməyə imkan vermədi.

İnfeksiyanın mürəkkəbliyi və genetik fərqləndirmə

Yüksək və aşağı toxunulmazlıq qrupları arasında müqayisələrə hər bir fərddən yalnız bir infeksiya daxil edilmişdir. İnfeksiyalar müvəqqəti dəyişkənliyi azaltmaq üçün nümunə götürmə tarixlərinin paylanmasının mediana yaxınlığına əsasən seçilmişdir. DEploid-IBD [39] infeksiya daxilində hər bir klonun nisbətini qiymətləndirmək üçün istifadə edilmişdir. Üstün klon olmayan infeksiyalar (yəni, əksər klonun infeksiya daxilində tezliyi <60% olduğu yerlərdə) mürəkkəb infeksiyalar kimi müəyyən edilmiş və aşağı axın təhlilindən xaric edilmişdir. Qalan nümunələr üçün, allel oxunanların ≥70%-i tərəfindən dəstəklənirsə, əsas allel heterozigot mövqelərdə çağırılır, əks halda genotip itkin kimi kodlanır. İki toxunulmazlıq qrupundan olan infeksiyalarda əksər klonların tezliyindəki fərqləri qiymətləndirmək üçün Wilcoxon-Mann-Whitney testindən istifadə edilmişdir.

Vcftools [74] Weir və Cockerham-ı qiymətləndirmək üçün istifadə edilmişdir FST dəyişən qeyri-sinonim, bi-allelik saytlarda. Əhəmiyyət 10.000 permutasiyadan istifadə etməklə müəyyən edildi, burada müşahidə edilən populyasiya dəyişdirilmədən yenidən nümunə götürüldü. Biallelik yerlərdə üstünlük təşkil edən allele əsaslanan analizin aparılmasının təsirini müəyyən etmək üçün, biz də çoxallelik saytlardan və infeksiya daxilindəki bütün allellərdən istifadə edərək təhlil apardıq. Baxmayaraq ki FST dəyərlər bir əsas allel ilə analizlə müqayisədə çoxlu allellərlə təhlildə ümumiyyətlə daha yüksək idi, əsas allel əsasında təhlildə əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənən saytlar da kiçik allellərin daxil edildiyi analizdə əhəmiyyətli dərəcədə fərqləndi. Əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənmiş yerlərdə nukleotid müxtəlifliyi vcftools [74] istifadə edərək təxmin edilmişdir. PlasmoDB (v44) [22] diferensiallaşdırılmış SNP-ləri ehtiva edən genləri müəyyən etmək üçün istifadə edilmişdir.

Bütün poliklonal infeksiyalarda klon tezliyi 80%-dən az və 10%-dən çox (n = 23) olması şərti ilə əsas və kiçik klonlar (DEploid-IBD [39]-dan alınan klon tezlikləri ilə müəyyən edilir) müqayisə edilmişdir. Sinonim olmayan hər bir sahədə əsas və kiçik klonlardan uyğun olmayan allelləri olan nümunələrin nisbəti təxmin edilmişdir. Uyğunsuzluqların nisbəti daha sonra əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənmiş saytlar və genomdan qalan bütün dəyişən saytlar arasında müqayisə edildi. The səh-dəyər müxtəlif yerlərdə klonlar arasında uyğunsuzluqlarda əhəmiyyətli fərqin olub-olmadığını müəyyən etmək üçün Wilcoxon-Mann-Whitney testinin aparılması ilə təxmin edilmişdir. qarşı qalan genom miqyasında dəyişən saytlar.

Qoşalaşmış infeksiya analizi

Ən azı 14 gün ara ilə baş verən ən azı iki simptomatik infeksiyanın parazit bütöv genom ardıcıllığı məlumatı olan şəxslər eyni ev sahibi daxilində baş verən infeksiyaların müxtəlif sahiblərdə baş verən infeksiyalarla müqayisəsinə daxil edilmişdir. Genetik diferensiallaşmanın təhlilindən fərqli olaraq, qoşalaşmış infeksiyaların təhlilinə multi-allelik sahələr daxil edilmişdir. “Daxili” qrupa eyni fərddən fərqli zaman nöqtələrində toplanmış bütün parazit cütləri daxil idi. "Aralıq qrup" müxtəlif fərdlərdən olan bütün cüt parazitləri əhatə edirdi. Bu analizə cəmi 116 nümunə daxil edilib. Qrup daxilində 124 cüt, qruplar arası isə 6546 cüt nümunədən ibarət idi. Bütün cütlər üçün allelik vəziyyət hər yerdə müqayisə edildi və uyğun olmayan allel vəziyyətləri olan cütlərin nisbəti sahə üzrə təxmin edildi (Şəkil 3-də təsvir edilmişdir). Qrup daxilində və qrup arasındakı fərq, hər bir sahə üçün uyğun olmayan allel vəziyyətləri olan cütlərin nisbətini çıxmaqla hesablanmışdır. The p-dəyər iki qrup arasında uyğun olmayan allellərin nisbətindəki fərqdən istifadə edərək birtərəfli z-testi aparmaqla təxmin edilmişdir. PlasmoDB [22] maraq doğuran SNP-ləri ehtiva edən genləri müəyyən etmək üçün istifadə edilmişdir.

Qlobal müxtəliflik clag8

MalariaGEN Pf3K layihəsi buraxılış 5.1 məlumatı [52] bu tədqiqatda müəyyən edilmiş bu genlərdə qlobal müxtəlifliyi qiymətləndirmək üçün istifadə edilmişdir. Pf3K məlumat dəstinə Asiya və Afrikanın müxtəlif yerlərində toplanmış 2512 nümunədən bütün genom ardıcıllığı məlumatı daxildir. Papua Yeni Qvineyadan olan 156 əlavə təcriddən alınan məlumatlar [53,54] də təhlilə daxil edilmişdir. VaxPack (https://github.com/BarryLab01/vaxpack) qlobal populyasiyanın genetik analizi üçün istifadə edilmişdir. GATKv4.0 variant zəngi üçün istifadə edilmişdir. Tərkibində qeyri-müəyyən əsaslar olan nümunələr çıxarıldı. Yanlış müsbət variantların qarşısını almaq üçün Singleton SNP-lər yenidən istinada çevrildi. Nukleotid müxtəlifliyi və Tajimanın D nümunəsi 50-dən çox olan hər bir ölkə üçün bütün polimorfik saytlar üçün ayrıca hesablanmışdır. PopArt-da Templeton, Crandall və Sing (TCS) [75] metodu [76] istifadə edərək haplotip şəbəkəsini qurmaq üçün istifadə edilmişdir. qeyri-sinonim SNP-lər. PlasmoSIP [62] istifadə edərək zülal pozğunluğu bölgəsi və B-hüceyrə epitop bölgələri proqnozlaşdırıldı. Müxtəlif toxunulmazlıq qruplarından olan Malavi təcridlərində C-terminal bölgəsinin haplotip tezlikləri DnaSP v6 [77] istifadə edərək sinonim olmayan saytlar üçün təxmin edilmişdir.


Giriş

Yüksək məhsuldarlıqlı gen pozğunluğu skrininqi (HT-GPS) ilə əldə edilmiş məlumat dəstlərinin daşqına baxmayaraq, çox sayda insan geninin funksiyası hələ də zəif başa düşülür (Dey və b, 2015). Üstəlik, gen funksiyalarının ən əhatəli və strukturlaşdırılmış annotasiyası olan gen ontologiyası (GO), əsasən hüceyrə tipindən və kontekstdən asılı olmayan gen funksiyaları ilə məhdudlaşır (Huntley və b, 2015). Bununla belə, gen funksiyası hətta birhüceyrəli orqanizmlər üçün də yüksək kontekstlidir (Radivojac və b, 2013 Liberali və b, 2014). Buna görə də, çoxhüceyrəli orqanizmlərin daha mürəkkəb fenotipləri əsasında verilənlərə əsaslanan və kontekstdən asılı funksional gen kəşfinə imkan verən yeni metodlara təcili ehtiyac var.

HT-GPS yeni gen funksiyalarını aşkar etmək üçün güclü bir üsul olduğunu sübut etsə də, bu məlumat dəstlərinin təhlili çətin bir iş olaraq qalır. Bu, bir genin müxtəlif miqyaslarda müxtəlif funksiyalarda iştirak edə bildiyi üçün tək bir genin pozulmasının gətirib çıxara biləcəyi fenotiplərin mürəkkəbliyi ilə bağlıdır. Bu funksiyalar hüceyrədəki gen məhsulunun lokalizasiyasından (məsələn, transkripsiya faktorları üçün sitoplazma və nüvə), hüceyrə dövrünün vəziyyətindən (məsələn, G1, G2 və ya S fazası), hüceyrə növündən, hüceyrə-hüceyrə və hüceyrə-mikromühit qarşılıqlı təsirindən və müalicə şərtlərindən asılıdır. (Sero və b, 2015). Nəzarətsiz klasterləşməyə əsaslanan mövcud təhlil boru kəmərləri ümumiyyətlə bu amilləri nəzərə almır. Nəticədə, yaranan fenotipik klasterləri şərh etmək çətindir, çünki onlar müxtəlif subfenotiplərdən (Yin) ibarət ola bilər. və b, 2013 Sailem və b, 2014). HT-GPS verilənlər bazasında olan məlumatların yalnız kiçik bir hissəsini təhlil etməklə, xüsusən də təsvirə əsaslanan ekranlarda bu çətinliklərin qarşısı alınır (Singh və b, 2014 ) bu da onların potensialından kifayət qədər istifadə etmir.

Nəzarət olunan maşın öyrənməsi bir çox HT-GPS tədqiqatlarında uğurla tətbiq edilmişdir (Hold və b, 2010 Neumann və b, 2010 Şərif və b, 2010 Sullivan və b, 2018 Eraslan və b, 2019). Fenotipik annotasiyaların çatışmazlığını həll etmək üçün cəlbedici həll yollarından biri funksional uyğun xüsusiyyətləri və fenotipləri müəyyən edə bilən intellektual sistemlərin qurulması üçün mövcud bioloji biliklərdən istifadə etməkdir.Bu yanaşma zəif idarə olunur, çünki mövcud biliklər yalnız səs-küylü etiketləri təmin edə bilər (Dutta və b, 2020). Mövcud funksional annotasiyalardan istifadə edən yanaşmalar yolların fəaliyyətinin nəticə çıxarmasında uğurla tətbiq edilmişdir (Şubert və b, 2018 ), həmçinin zülal ardıcıllığı və strukturu, filogeniya, həmçinin zülal-zülal qarşılıqlı əlaqəsi və gen birgə ifadə şəbəkələri daxil olmaqla bir çox məlumat növlərindən protein funksiyalarının proqnozlaşdırılması (Radivojac) və b, 2013 Dey və b, 2015 Jiang və b, 2016). Bundan əlavə, mayada verilənlərə əsaslanan gen ontologiyasının çıxarılmasında qabaqcıl işlər görülmüşdür (Kramer və b, 2014 Yu və b, 2016 May və b, 2018). Bununla belə, bizim məlumatımıza görə, bu yanaşma genetik artıqlığın və fenotipik mürəkkəbliyin daha yüksək olduğu çoxhüceyrəli orqanizmlərdə genişmiqyaslı HT-GPS verilənlər bazası kontekstində tətbiq edilməmişdir.

Fəaliyyət göstərdiyi məlum olanlardan fərqli bioloji kontekstlərdə gen dəstlərinin sistematik qiymətləndirilməsi bioloji sistemlərin tənzimlənməsi ilə bağlı qiymətli fikirləri üzə çıxara bilər. Məsələn, TGFβ və WNT siqnalları vasitəsilə hüceyrə miqrasiyasının, hüceyrə yapışmasının və sitoskeletal təşkilinin koordinasiyasını əhatə edən mezodermanın inkişafı (MSD) kimi inkişaf kontekstində genlərin rolları kolorektal xərçəng kontekstində tez-tez tənzimlənir. Klinovska və b, 1994 McMahon və b, 2010 Kiecker və b, 2016). Buna görə də, narahat edən MSD genləri ilə əlaqəli fenotipik imzaların müəyyən edilməsi, MSD genlərinin tənzimlənməməsinin kolorektal xərçəngin inkişafına necə kömək edə biləcəyinə işıq sala bilər.

Kontekstdən asılı gen funksiyalarının səciyyələndirilməsinin əhəmiyyəti xərçəng kimi xəstəliklərdə qoxu reseptorlarının roluna dair artan sübutlarla misal ola bilər (Lee və b, 2019). Qoxu reseptorları insanlarda ən böyük gen ailəsini təşkil edir (

400 gen) 1991-ci ildə sensor neyronlarda aşkar edilmişdir. Bununla belə, onların qeyri-sensor toxumalardakı funksiyaları zəif başa düşülür (Maßberg & Hatt, 2018). Qoxu reseptorlarının pozulma fenotiplərinin məlum gen proqramlarının pozulması ilə oxşarlığının tədqiqi onların müxtəlif toxuma tiplərində funksiyalarını aşkar etməyə imkan verərdi.

Burada biz böyük miqyaslı HT-GPS-dən avtomatlaşdırılmış bilik kəşfi üçün yeni çərçivə olan KCML-ni təklif edirik. KCML gen itkisinin pleiotropik və qismən nüfuz edən fenotipik təsirlərini nəzərə almaq üçün nəzərdə tutulmuşdur. Biz bu çərçivəni molekulyar, hüceyrə və toxuma səviyyələrində fenotipləri təsvir edən müxtəlif üsullarla yaradılan üç böyük miqyaslı məlumat dəstinə tətbiq edirik və onun mövcud analiz boru kəmərlərindən üstün olduğunu göstəririk. KCML-nin müəyyən etdiyi və Mezoderm İnkişafı (MSD) termini ilə izah edilmiş genlərlə əlaqələndirdiyi hüceyrə quruluşu fenotipini təhlil edirik. KCML proqnozlarına TGFβ və WNT siqnal yollarında çoxlu genlər, eləcə də bir çox qoxu reseptorları daxildir. Kolorektal xərçəng xəstələrinin gen ifadə məlumatları ilə inteqrativ təhlil vasitəsilə biz qoxu reseptorlarının ifadəsi ilə TGFβ və WNT siqnalları arasındakı əlaqəni təsdiqləyirik və bəzi qoxu reseptorlarının ifadəsinin daha yüksək dərəcəli kolorektal xərçəng xəstələrinin nəticələrini təbəqələşdirə biləcəyini göstəririk. Xülasə, KCML HT-GPS verilənlər bazasını hərtərəfli təhlil etmək və kontekstdən və toxumadan asılı gen funksiyalarını müəyyən etmək üçün çevik və sistematik bir çərçivədir.


İçindəkilər

Kitabın təsviri

Bu “dərslik” interaktivdir, yəni hər bir fəsildə mətn olsa da, onlar həmçinin viktorinalar, simulyasiyalar, interaktiv videolar və kliklənən qaynar nöqtələri olan şəkillər kimi interaktiv HTML5 məzmununa malikdirlər. Tələbələr interaktiv məzmunu tamamlayanda dərhal rəy alır və buna görə də hamısını bir yerdə öyrənə və başa düşdüklərini yoxlaya bilərlər. Mən hələ də bu dərsliyi kifayət qədər mətnli hesab edirəm və onu daha da interaktiv məzmuna çevirməyə davam edəcəyəm!

Qapağındakı şəkil bu kitabın yaradılmasını əks etdirir. Mən məzmunun çoxunu açıq mənbələrdən götürdüm, onları dəyişdirdim, suallar əlavə etdim və indi istifadə etməyiniz üçün təklif edirəm!

Tədris etdiyim iki kursa uyğunlaşmaq üçün məzmunu seçdim: ətraf mühit və orqanizm tətbiqləri və biotibbi tətbiqlər. Bölmə 1 tələbələri hər iki kursun istifadə etdiyi elmlə tanış edir. 2-ci bölmə konservasiyanın nəticələrini başa düşmək üçün lazım olan məzmunu əhatə edir (kursun əsas mövzusu məhv olmaqdır), 3-cü bölmə isə zülallara diqqət yetirir ki, tələbələr DNT-nin dəyişdirilməsinin nəticələrini başa düşə bilsinlər (əsas mövzu CRISPR).

Zəhmət olmasa bu kitabdan dərsləriniz üçün uyğun gördüyünüz kimi istifadə edin. Gələcəkdə bu kitabı necə daha faydalı etmək barədə eşitməyi səbirsizliklə gözləyirəm!


Videoya baxın: كل شئ عن البروتين ماهي البروتين كيفية استخدام هل البروتين تسبب العقم (Iyul 2022).


Şərhlər:

  1. Gardalrajas

    Məncə yanılırsınız. Mənə PM-ə yazın, danışarıq.

  2. Cristoforo

    Bağışlayın, mövzu dolaşdı. Götürülür

  3. Shaktijinn

    Bəli həqiqətən. Baş verir. Bu mövzuda ünsiyyət qura bilərik. Burada və ya axşam.

  4. Ociel

    This no more than conditionality

  5. Ealhhard

    I do not regret that I wasted a couple of minutes reading. Write more often, I will certainly stop by to read something new.



Mesaj yazmaq