Введение
Пересечение областей эволюции и геномики. Филогеномика – это область, находящаяся на стыке эволюции и геномики. Этот термин используется в различных контекстах для обозначения анализа, основанного на данных генома и эволюционных реконструкциях. Это совокупность методов, относящихся к более широким областям филогенетики и геномики. Филогеномика извлекает информацию путем сравнения целых геномов или, по крайней мере, значительных их частей. В отличие от филогенетики, которая сравнивает и анализирует последовательности отдельных генов или небольшого числа генов, а также другие типы данных, филогеномика работает с более масштабными данными. Филогеномика охватывает четыре основных направления: предсказание функций генов, установление и уточнение эволюционных взаимосвязей, эволюция семейств генов, предсказание и отслеживание горизонтального переноса генов. Конечная цель филогеномики – реконструировать эволюционную историю видов на основе их геномов. Эта история обычно выводится из набора геномов с использованием модели эволюции генома и стандартных методов статистического вывода (например, байесовского вывода или метода максимального правдоподобия).
Phylogenomics is the intersection of the fields of evolution and genomics. The term has been used in multiple ways to refer to analysis that involves genome data and evolutionary reconstructions. It is a group of techniques within the larger fields of phylogenetics and genomics. Phylogenomics draws information by comparing entire genomes, or at least large portions of genomes. Phylogenetics compares and analyzes the sequences of single genes, or a small number of genes, as well as many other types of data. Four major areas fall under phylogenomics:
Prediction of gene function
Establishment and clarification of evolutionary relationships
Gene family evolution
Prediction and retracing lateral gene transfer. The ultimate goal of phylogenomics is to reconstruct the evolutionary history of species through their genomes. This history is usually inferred from a series of genomes by using a genome evolution model and standard statistical inference methods (e. g. Bayesian inference or maximum likelihood estimation).
Прогнозирование функции генов
Когда Джонатан Эйзен впервые ввел термин "филогеномика", он применялся к предсказанию функций генов. До использования филогеномных методов предсказание функции гена осуществлялось главным образом путем сравнения последовательности гена с последовательностями генов с известными функциями. Когда вовлечено несколько генов с похожими последовательностями, но различными функциями, этот метод сам по себе оказывается неэффективным для определения функции. Конкретный пример представлен в статье "Гастрономические изыски: пир на ходу". Прогнозы функций генов, основанные исключительно на сходстве последовательностей, использовались для предположения, что Helicobacter pylori способен восстанавливать некорректно спаренные ДНК. Это предположение основывалось на том, что у этого организма есть ген, последовательность которого высоко гомологична генам других видов из семейства генов "MutS", включающего многие гены, известные своей ролью в восстановлении некорректно спаренных ДНК. Однако Эйзен отметил, что у H. pylori отсутствуют другие гены, считающиеся необходимыми для этой функции (в частности, представители семейства MutL). Эйзен предложил решение этой кажущейся нестыковки – филогенетические деревья генов семейства MutS показали, что ген, обнаруженный у H. pylori, не входит в то же подсемейство, что и гены, известные своей ролью в восстановлении некорректно спаренных ДНК. Обзоры этого аспекта филогеномики см. в работах Брауна D и Сьёландера K. "Функциональная классификация с использованием филогеномного вывода".
Прогнозирование и прослеживание латерального переноса генов
Традиционные филогенетические методы испытывают трудности при различении генов, сходство которых обусловлено латеральным переносом генов, и генов, сходство которых объясняется общим происхождением организмов. Сравнивая большое количество генов или целые геномы у множества видов, можно выявить гены, полученные в результате латерального переноса, поскольку их эволюционное поведение отличается от ожидаемого, исходя из таксономии организма. С помощью этих методов исследователям удалось идентифицировать более 2000 метаболических ферментов, приобретенных различными эукариотическими паразитами посредством латерального переноса генов.
Эволюция семейства генов
Сравнение полных наборов генов у группы организмов позволяет выявить события в эволюции генов, такие как дупликация или делеция генов. Зачастую, подобные события имеют эволюционное значение. Например, множественная дупликация генов, кодирующих деградирующие ферменты определенных семейств, – распространенная адаптация микроорганизмов к новым источникам питательных веществ. В то же время, потеря генов играет важную роль в редуктивной эволюции, например, у внутриклеточных паразитов или симбионтов. Дупликация всего генома, потенциально удваивающая все гены в геноме одновременно, является кардинальным эволюционным событием, имеющим большое значение в эволюции многих клад, и сигнал которого можно отследить с помощью филогеномных методов.
Установление эволюционных связей
Традиционные исследования отдельных генов эффективны для построения филогенетических деревьев среди близкородственных организмов, но имеют ограничения при сравнении более далёкородственных организмов или микроорганизмов. Это связано с латеральным переносом генов, конвергентной эволюцией и различной скоростью эволюции разных генов. Использование целых геномов в таких сравнениях позволяет нивелировать аномалии, вызванные этими факторами, за счёт общей картины эволюции, отражённой в большинстве данных. Благодаря филогеномике было установлено, что большинство фотосинтезирующих эукариот связаны между собой и, возможно, имеют общего предка. Исследователи сравнили 135 генов у 65 различных видов фотосинтезирующих организмов, включая растения, альвеолят, ризарий, гаптофитов и криптомонады. Это объединение получило название мегагруппы Plants+HC+SAR. Теоретически, данный метод позволяет создавать полностью разрешённые филогенетические деревья и более точно определять временные рамки эволюции. Однако на практике это не всегда достигается. Из-за недостатка данных, при анализе разными методами, одни и те же данные могут поддерживать несколько различных деревьев.