Кіріспе

Эволюция және геномика салаларының қиылысуы. Филогеномика – эволюция және геномика салаларының қиылысуы болып табылады. Бұл термин геномдық деректерді және эволюциялық реконструкцияларды қамтитын талдауға қатысты әртүрлі мағыналарда қолданылған. Филогенетика мен геномиканың кең ауқымды салаларындағы әдістер жиынтығы. Филогеномика бүкіл геномдарды немесе геномдардың үлкен бөліктерін салыстыру арқылы ақпарат алады. Филогенетика жеке гендердің немесе гендердің шағын тобының тізбектерін, сондай-ақ көптеген басқа да деректерді салыстырып, талдайды. Филогеномиканың төрт негізгі саласы бар: ген функциясын болжау, эволюциялық байланыстарды орнату және нақтылау, гендер отбасыларының эволюциясы, көлденең гендердің берілуін болжау және оны қайта табу. Филогеномиканың басты мақсаты – түрлердің эволюциялық тарихын олардың геномдары арқылы қайта құру. Бұл тарих әдетте геном эволюциясы моделі мен стандартты статистикалық қорытындылау әдістерін (мысалы, Байес қорытындылауы немесе максималды ықтималдық бағалауы) қолдану арқылы геномдар тізбегінен шығарылады.

Гендік функцияларды болжау

Джонатан Эйзен филогеномика терминін алғаш қолданғанда, ол ген функцияларын болжауға қатысты. Филогеномдық техникалар қолданылғанға дейін ген функциясын болжау көбінесе ген тізбегін белгілі функциялары бар гендердің тізбектерімен салыстыру арқылы жасалатын. Егер бірнеше геннің тізбегі ұқсас болса, бірақ функциялары әртүрлі болса, бұл әдіс өзі функцияны анықтау үшін жеткіліксіз. "Гастрономиялық ләззат: жылжымалы мейрам" мақаласында нақты мысал келтірілген. Тек тізбек ұқсастығына негізделген гендік болжамдар Helicobacter pylori-нің қате жұптасқан ДНК-ны жөндеуге қабілетті екенін болжау үшін пайдаланылды. Бұл болжам осы организмдегі ген тізбегінің "MutS" гендер отбасынан басқа түрлердің гендеріне өте ұқсас екендігіне негізделген, оның ішінде қате жөндеуге қатысатындары көп. Алайда, Эйзен H. pylori-де бұл функция үшін қажет деп саналатын басқа гендердің жоқтығын атап өтті (әсіресе, MutL отбасының мүшелері). Эйзен осы айқын қайшылыққа шешім ұсынды – MutS отбасындағы гендердің филогенетикалық ағаштары H. pylori-де табылған геннің қате жөндеуге қатысатындарымен бірге кіші отбасыға жатпайтынын көрсетті. Филогеномиканың осы аспектісі туралы шолу үшін Браун D, Сёландер К. Филогеномдық қорытындыларды қолдану арқылы функционалдық жіктеу мақаласын қараңыз.

Жатық геннің көшірмесін болжау және қайта анықтау

Дәстүрлі филогенетикалық әдістер жақтық гендер алмасуының нәтижесінде ұқсас және ортақ ата-тегінен келгендіктен ұқсас гендерді ажыратуда қиындық тудырады. Көптеген түрлердің геномдарын немесе геномдарын салыстыру арқылы, жақтық гендер алмасу арқылы алынған гендерді анықтауға болады, себебі мұндай тізбектер организмнің таксономиялық жағдайына сәйкес күтілетіндей емес, өзгешеше жұмыс істейді. Осы әдістерді пайдалана отырып, ғалымдар әртүрлі эукариот паразитінен алынған 2000-нан астам метаболизм ферментін анықтады.

Гендер отбасыларының эволюциясы

Организмдер тобының толық гендік жиынтықтарын салыстыру, гендер эволюциясындағы оқиғаларды, мысалы гендердің көбейіп кетуін немесе гендердің жойылуын анықтауға мүмкіндік береді. Мұндай оқиғалар көбінесе эволюциялық маңызға ие. Мысалы, белгілі бір тұқымдардың ыдырату ферменттерін кодтайтын гендердің көп рет көбейіп кетуі, микробтардың жаңа қоректік заттарға бейімделуінің кең таралған түрі болып табылады. Ал, керісінше, гендердің жоғалуы редуктивті эволюцияда маңызды, мысалы, жасуша ішіндегі паразиттерде немесе симбионттарда. Геномдағы барлық гендерді бірден көшіріп алуға мүмкіндік беретін толық геномдық дупликация оқиғалары – көптеген топтардың эволюциясында үлкен рөл атқаратын күрт эволюциялық өзгерістер болып табылады, ал олардың іздерін филогеномдық әдістермен табуға болады.

Эволюциялық байланыстарды орнату

Дәстүрлі бір генді зерттеулер жақын туысқан организмдер арасында филогенетикалық ағаштар құруда тиімді, бірақ алыс туысқан организмдер мен микроорганизмдерді салыстырған кезде шектеулері бар. Бұл себебі – жан-жақтан гендердің ауысуы, конвергенция және әртүрлі гендердің эволюция жылдамдығының өзгешелігі. Осы салыстыруларда толық геномдарды пайдалану арқылы осы факторлардың салдарынан туындаған аномалиялар деректердің көп бөлігі көрсеткен эволюция үлгісімен жойылды. Филогеномика арқылы фотосинтездік эукариоттардың көпшілігі байланысты екендігі және, мүмкін, жалғыз ата-тектен шыққандығы анықталды. Зерттеушілер фотосинтез жасайтын 65 түрлі организмнің 135 генін салыстырды. Оларға өсімдіктер, альвеолаттар, ризарийлер, гаптофиттер және криптомонадтар кірді. Бұл "Өсімдіктер+HC+SAR" мегатобы деп аталады. Бұл әдіс арқылы теориялық тұрғыдан толыққанды шешілген филогенетикалық ағаштар құруға және уақыттық шектеулерді дәлірек анықтауға болады. Дегенмен, тәжірибеде бұл әрқашан осылай бола бермейді. Деректердің жеткіліксіздігіне байланысты, әртүрлі әдістерді қолданып талдағанда бірнеше ағаштар бірдей деректермен негізделуі мүмкін.