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).

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.