13.1:

13.1: Эволюционные отношения через сравнение генома

Evolutionary Relationships through Genome Comparisons

JoVE Core
Molecular Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Molecular Biology

Evolutionary Relationships through Genome Comparisons

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Next Video

13.2: Genome Copying Errors

5,700 Views

•

02:54 min

•

April 07, 2021

Overview

Сравнение генома является одним из превосходных способов интерпретации эволюционных отношений между организмами. Основной принцип сравнения генома заключается в том, что если два вида имеют общую черту, она, скорее всего, кодируется последовательностью ДНК, сохраняющейся между обоими видами. Появление технологий секвенирования генома в конце 20-го века позволило ученым понять концепцию сохранения доменов между видами и помогло им вывести эволюционные отношения между различными организмами.

Сравнение генома может выявить три уровня эволюционных отношений. Первый уровень обеспечивает глубокое понимание последовательностей и белковых доменов, которые сохраняются в различных группах организмов, таких как человек и рыбы. Второй уровень еще больше увеличивает разрешение, чтобы идентифицировать уникальные элементы ДНК, присутствующие у близкородственных видов, таких как человек и шимпанзе. Третий уровень с еще более высоким разрешением данных различает генетические различия внутри вида, такие как различные варианты и подтипы организма. Это разрешение высокого уровня может идентифицировать мутации, характерные для отдельных штаммов микроорганизмов или кластеров инфицированных случаев, помогая отслеживать вспышки заболеваний.

Инструменты для секвенирования ДНК

Для получения данных о последовательностях ДНК, необходимых для вывода эволюционных отношений, можно использовать несколько методов. Среди них широко используется полногеномное секвенирование или WGS. Он предоставляет данные с высоким разрешением, чрезвычайно полезные для анализа мутаций и консервативных последовательностей среди нескольких организмов. Он также может определить причину генетических нарушений, сравнивая последовательность ДНК пораженных людей с последовательностями других незатронутых субъектов.

Инструменты анализа данных

Данные, полученные с помощью WGS или аналогичных методов секвенирования, анализируются с помощью соответствующих программных инструментов для вывода эволюционных связей. Молекулярно-эволюционный генетический анализ (MEGA) является одним из наиболее широко используемых программных инструментов. Программы, присутствующие в MEGA, такие как выравнивание последовательности сборки, построение эволюционных деревьев, оценка генетических расстояний и вычисление эволюционных деревьев времени, позволяют пользователям курировать и интерпретировать необработанные данные, полученные с помощью методов секвенирования.

Transcript

Традиционная классификация организмов Линнея называется кладистикой, которая основана на различиях в физических характеристиках организмов, и ученые обычно строят деревья, называемые дендрограммами, чтобы дать визуальное представление этих разделений и групп.

Однако с появлением современных технологий сравнение ДНК стало распространенным способом создания таких деревьев. Если исследовать данные о последовательностях у одного вида, например, у человека, то можно обнаружить очень высокую степень сходства в генетическом коде, около 99,9%, потому что генетический код организма передается от родителя к потомству.

Люди также разделяют большую часть этого кода ДНК с другими видами, такими как шимпанзе и мыши, но степень общего сходства между человеческой ДНК и их ДНК значительно отличается. Это означает, что деревья могут быть созданы для групп видов на основе сходства или различия между их генетическими кодами. Эта область анализа, объединяющая статистику, математическое моделирование и информатику, является частью области, известной как биоинформатика.

Генетические данные, используемые для создания этих деревьев, могут принимать различные формы. Например, в молекулярной филогении один или два ключевых генетических локуса секвенируются, а затем сравниваются между представляющими интерес видами.

Однако, поскольку отдельные гены или генетические области могут развиваться с совершенно разной скоростью у разных видов или даже обмениваться между разными видами посредством горизонтального переноса генов, эти мелкомасштабные генетические исследования не всегда могут обеспечить точную филогению.

В бактериальной филогенезе часто используется метод, называемый мультилокусным типированием последовательностей, или MLST. Этот метод генерирует последовательности в нескольких генетических областях – обычно это домашние гены, которые необходимы для функционирования клеток и поэтому сохраняются у всех видов.

Тем не менее, гены, отвечающие за ведение домашнего хозяйства, могут развиваться медленно, поэтому при использовании MLST трудно получить разрешение на уровне деформации.

Наконец, полногеномное секвенирование, или WGS, может быть использовано для выяснения эволюционных отношений. Этот метод включает в себя секвенирование полного генома организма, включая митохондриальную ДНК у эукариот и даже ДНК хлоропластов у растений.

WGS выравнивает целые геномы с тонким разрешением и может идентифицировать мутации или видоспецифичные маркеры, точки ветвления и даже штаммы или популяции одного вида. Такие мелкие детали могут быть упущены при более целенаправленном секвенировании.