Анализ быстро эволюционирующих участков протеинов в бактериальных геномах для разделения штаммов.




Введение

Эволюционное происхождение бактерий, которые населяют человеческий пищеварительный канал, неизвестно. В данной статье говорится, что сложные происхождения большинства бактериальных таксонов кишечника вызваны коцезией с людьми, шимпанзе, бонобо и гориллами за последние 15 миллионов лет. Микрофлора кишечника у людей и других гоминид, по большей части, передается из поколения в поколение, а не поступает из внешней среды. Многие виды бактерий мы сохранили еще от общих с человекообразными обезьянами предков и эволюционировали совместно с ними. Другие у нас уже не встречаются, что может служить одной из причин ожирения и других обычных для современного человека болезней.

В данной работе были исследованы 3 семейства бактерий: бактероиды, бифидобактерии и клостридии.

Ход работы

Исследователи собрали образцы фекалий приматов разных видов и мест обитания: 47 шимпанзе (Pan troglodytes) из Национального парка Гомбе в Танзании, 24 бонобо (Pan paniscus) из Конго и стольких же горилл (Gorilla gorilla) из Камеруна, наконец, 16 человек (Homo sapiens) из Коннектикута, США.

Анализ быстро эволюционирующих участков протеинов в бактериальных геномах для разделения штаммов.

Ученые выделили из образцов ДНК и установили видовой состав микрофлоры, используя референсный ген В-субъединицы ДНК-гиразы (gyrB). Этот жизненно важный белок участвует в репликации и имеется у всех прокариот. К тому же, он достаточно изменчив, что делает gyrB популярным видоспецифичным «маркером» в микробиологии.

- Были использованы наборы праймеров, каждый предназначен нацелиться на одно из 3 бактериальных семейств;

- Секвенирование проведено на платформе Illumina MiSeq;

- Последовательности были проверены на качество в QIIME* и отфильтрованы для устранения ошибок в последовательности -> были зарегистрированы относительные частоты штаммов, извлеченных из каждого образца;

- Произведен филогенетический анализ отдельно для каждого семейства бактерий;

- Последовательности были выравнены с ClustalW ** (как реализовано в MEGA *** 6.0);

- деревья максимального правдоподобия (Max likelihood), были построены с использованием общей модели GTR (прим. модели эволюции с различными комбинациями параметров для замещения сайта ДНК);

- относительные возрасты узлов деревьев максимального правдоподобия оценивался BEAST.

Работа показала, что представители двух из трех важнейших семейств бактерий, которые населяют кишечник гоминид – бактероидов Bacteroidaceae, бифидобактерий Bifidobacteriaceae и клостридий Lachnospiraceae – два первых имеются у всех исследованных видов. За время независимой эволюции гоминид они образовали совершенно разные штаммы, адаптированные к особенностям жизни, питания и иммунитета своих хозяев.
Однако предысторию этих микробов можно проследить до 15 миллионов лет назад, до времени жизни последнего общего предка людей и других человекообразных обезьян. Филогенетические отношения штаммов Bacteroidaceae (бактероидов) у гоминид отражают отношения их хозяев. Результаты, полученные для Bifidobacteriaceae(бифидобактерий), говорят о том же.
Эти данные дополнены с последовательностями gyrB в предыдущих данных по секвенированию ДНК кишечной микрофлоры, полученных для жителей Малави, континентального государства в глубине Юго-Восточной Африки. Расхождение их бактерий, по оценке авторов, можно датировать более чем 1,7 млн лет назад – периодом одного из первых исходов людей из Африки.
Более того, некоторые штаммы, обнаруженные и у африканцев, и у человекообразных обезьян, у жителей США отсутствуют. Это может быть связано с особенностями современного образа жизни, питания и применения антибиотиков. Эти изменения микрофлоры могут вести к развитию ожирения, ряду психических расстройств и других проблем, широко распространенных в наши дни.

 

 


Рис.1. Коцезия между кишечными бактериями и гоминидами. Филогенез, показывающий отношения между людьми и африканскими обезьянами.
(A) Филогенез максимального правдоподобия группы «родословной» (прим. перевод от lineage – дословно возрастная линия) Bacteroidaceae (бактероидов), разнообразился у африканских обезьян, но потерян из линии, ведущей к людям. В (A) и последующих панелях черные точки обозначают узлы, где > 50% boostrap рекликаций (повторов)**** (используется в статистике), цвета соответствуют вставке и обозначают виды-хозяева, из которых извлекается каждая бактериальная линия, и проценты указывают процент лиц-хозяев, из которых каждая группа бактерий была восстановлена.
(B) Филогенез с максимальным правдоподобием групп линий Bacteroidaceae (бактероидов), разнообразился у африканских обезьян, но был потерян из линии, ведущей к людям. Обратите внимание, что эта линия Bacteroidaceae раздваивается у предка шимпанзе и бонобо, что приводит к возникновению двух бактериальных происхождений.
(C) Филогенез с максимальным правдоподобием кластера Bacteroidaceae, которая связана с людьми, шимпанзе и бонобо. Никаких представителей этой группы, полученных из гориллы, не было восстановлено.
(D) Установленные отношения между последовательностями Bifidobacteriaceae gyrB, выделенными у людей и африканских обезьян. Незначительная звездочка указывает на перенос родственника Bifidobacterium adolescentis из бонобо к гориллам.


Рис.2. Бактериальная шкала времени эволюции гуманоидов.
(A) Время разделения видов Hominidae, оцененное по последовательностям gyrB Bacteroidaceae и Bifidobacteriaceae в BEAST. Пределы точности представляют собой интервалы времени средней дивергенции(разделения), определенные для каждой группы бактерий, которые связаны с гоминидами.
(B) Цветные линии тренда указывают на частоту похожих расхожденийучастка gyrB в каждой бактериальной группе, свидетельствующую о наличии коцезии, гена митохондрии NADH1 (mtNADH1) хозяина и гена ядерной топоизомеразы I хозяина (TOPO1). Линии тренда соответствуют бактериальным группам, изображенных на рис. 1 и 2, и бактериальные виды для каждой группы показаны и названы, если они имеются.

 

* QIIME представляет собой биоинформатичный конвейер с открытым исходным кодом для проведения анализа микробиома из необработанных данных секвенирования ДНК. QIIME предназначен для того, чтобы предоставлять пользователям данные необработанного последовательности, созданные на Illumina или других платформах, посредством графики и статистики качества публикации. Это включает в себя демультиплексирование и фильтрацию качества, сбор OTU, таксономическое назначение и филогенетическую реконструкцию, а также анализ разнообразия и визуализацию. QIIME применяется для исследований, основанных на миллиардах последовательностей из десятков тысяч образцов.

** ClustalW - Программа для множественного выравнивания последовательностей ДНК и белков. Работает в два этапа. Первый - попарное выравнивание всех со всеми для оценки сходства. Второй этап - после построения филогенетического дерева выравнивание глобальное. Отличие программы ClustalW от ClustalX состоит в том, что в ClustalX используется графический интерфейс, в то время как ClustalW работает через командную строку или онлайн.

*** MEGA - Molecular Evolutionary Genetics Analysis. Является компьютерным программным обеспечением для проведения статистического анализа молекулярной эволюции и для построения филогенетических деревьев. Он включает в себя множество сложных методов и инструментов для филогеномики и филомедицины.

**** https://en.wikipedia.org/wiki/Bootstrapping_(statistics)



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-06-30 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: