|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Молекулярная эволюция генов, систем генов и геномов: новые методы и их применениеНИР
The study of molecular evolution at the level of genes, gene systems and genomes using newly developed algorithms
- Руководитель НИР: Алексеевский А.В.
- Ответственные исполнители: Карягина-Жулина А.С., Русинов И.С., Спирин С.А.
- Участники НИР: Аксянов Е.А., Безсуднова О.И., Ершова А.С., Мошенский Д.М., Пензар Д.Д., Сигорских А.И., Смиренина Л.К., Хачатурян М.А., Хачатурян М.А.
- Подразделение: Отдел математических методов в биологии
- Срок исполнения: 16 мая 2016 г. - 31 декабря 2018 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 16-14-10319
- Номер ЦИТИС: AAAA-A17-117021650019-5
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Математические модели в биологии
- ПН России: Науки о жизни
- Направление технологического прорыва России: Медицинские технологии и лекарственные средства
-
Рубрики ГРНТИ:
- 34.03.23 Математическая биология и теоретическое моделирование биологических процессов. Биоинформатика
-
Ключевые слова:
алгоритмы реконструкции филогении, эволюция подсистем генов, нуклеотидный пангеном, экспертная система, эволюция геномов прокариот, эталонные выравнивания, молекулярная эволюция, системы рестрикции-модификации, полногеномное выравнивание
-
Описание:
Изучение эволюции – одна из центральных задач биологии. Феодосий Добжанский писал: «Ничто в биологии не имеет смысл кроме как в свете эволюции». В наше время важное значение приобретает изучение молекулярной эволюции – эволюции последовательностей генов и белков, систем генов и полных геномов. Задачи молекулярной эволюции возникают практически во всех областях молекулярной биологии. В проекте планируются три направления исследований молекулярной эволюции, объединенные общими идеями, подходами, алгоритмами и программами. Это развитие методов реконструкции филогении гомологичных последовательностей белков и нуклеиновых кислот и их применение; реконструкция филогении прокариотических систем рестрикции-модификации; сравнительное описание эволюции геномов в разных группах близкородственных прокариот. Филогения последовательностей. Задача реконструкции филогении по выравниванию набора гомологичных биологических последовательностей является центральной в области молекулярной филогении. Несмотря на большое число разных алгоритмов и программ, ее нельзя считать окончательно решенной. При реконструкции филогении возникают вопросы: какой алгоритм применить в изучаемом случае? Какова степень доверия полученному филогенетическому дереву в целом и его отдельным ветвям? Предложенные ранее алгоритмические методы ответа на эти вопросы не лишены недостатков. В проекте предлагается, во-первых, разработать и реализовать методику сравнительной оценки разных программ реконструкции филогении. Методика включает создание базы эталонных выравниваний биологических последовательностей с приблизительно известной филогенией и программы, вычисляющей строгие статистические оценки сравнения двух наборов реконструкций филогении по этим выравниваниям. По таким оценкам можно будет объективно оценивать как разные алгоритмы, так и зависимость результатов одного алгоритма от используемых параметров. Результат будет состоять в рекомендациях по применению программ и выбору параметров. Во-вторых, с использованием этой методики планируется доработать программу реконструкции филогении PQ, основанную на оригинальном алгоритме, а также оптимизировать реализации ряда известных алгоритмов. В-третьих, предполагается создание экспертной системы, позволяющей оценить качество реконструкции филогении данного набора последовательностей на основе анализа множественного выравнивания. Система будет создана с применением различных методов машинного обучения. Эволюция систем рестрикции-модификации. Эволюция систем генов представляет особенный интерес, так как отражает функциональные изменения в эволюционной истории организмов. Изучение эволюции систем осложняется тем, что кроме мутагенеза в самих генах может изменяться состав генов системы. В проекте планируется реконструировать филогению прокариотических систем рестрикции-модификации на основании всех доступных данных. Актуальность данного раздела проекта связана с тем, что системы рестрикции-модификации, кроме своей основной функции – защиты от чужеродной ДНК, прежде всего ДНК бактериофагов, играют важную роль в эволюции бактериальных и архейных популяций, в поддержании разнообразия штаммов и регуляции горизонтального переноса между прокариотами. Полномасштабных биоинформатических исследований этих систем нами в литературе не обнаружено. Важным для успеха исследования обстоятельством является то, что в настоящее время объем доступных данных исчисляется многими тысячами систем. Многие системы хорошо изучены экспериментально, разным аспектам эволюции этих систем посвящены сотни публикаций. Информация о системах рестрикции-модификации собрана в публичной базе данных REBASE. Кроме того, набор генов в системе ограничен. Обязательными являются гены эндонуклеаз рестрикции и ДНК-метилтрансфераз (иногда обе активности присущи продукту одного гена), в некоторых типах систем закодированы также регуляторные ДНК-узнающие белки, в других – никазы, расщепляющие только одну цепочку ДНК. Сложность планируемого исследования состоит в том, что системы рестрикции-модификации мобильны, часто подвержены горизонтальному переносу. Известен обмен генами между разными системами рестрикции-модификации. Другая сложность состоит в большом разнообразии систем и генов эндонуклеаз рестрикции и ДНК-метилтрансфераз. В результате такое фундаментальное понятие, как ортологичность, в применении к системам рестрикции-модификации должно быть уточнено, и алгоритмы выявления ортологичности должны быть видоизменены. Сравнительный анализ эволюции геномов в разных видах и родах бактерий и архей. В связи с секвенированием полных геномов многих организмов в последнее десятилетие быстро развивается область сравнения геномов в целом. В ней получены многие фундаментальные результаты, сравнение геномов активно используется для решения многих практических задач, включая медицинские. В проекте планируется реконструировать эволюцию нескольких десятков групп близкородственных прокариотических организмов, для которых расшифровано достаточное число полных геномов, и провести сравнительный анализ. Эволюции геномов бактерий и архей в разных таксонах посвящены многие работы, число подобных работ растет с каждым годом, в частности, в связи с их практической важностью. Работ, посвященных сравнению эволюции геномов прокариот в большом числе таксонов, и выполненных по единой методике, что дает основание для адекватного сравнения результатов, нам не известно. Для проекта важно, что нами разработан проект программ NPG-explorer, позволяющий построить так называемый нуклеотидный пангеном группы геномов и выдающий аналитическую информацию в унифицированном формате. Определенная доработка пакета также будет выполнена в проекте по результатам массового тестирования.
- Добавил в систему: Алексеевский Андрей Владимирович
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 16 мая 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Молекулярная эволюция генов, систем генов и геномов: новые методы и их применение |
| Результаты этапа: | ||
| 2 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Молекулярная эволюция генов, систем генов и геномов: новые методы и их применение |
| Результаты этапа: I. Реконструкция филогении. Рукопись статьи о новой программе филогенетической реконструкции PQ доработана в соответствии с замечаниями рецензентов. В частности, по требованию одного из рецензентов проведено тестирование программы на подверженность "эффекту притяжения длинных ветвей" — артефакту филогенетической реконструкции, заключающемуся в ошибочном объединении в одну кладу видов с повышенной скоростью накопления эволюционных изменений. Для тестирования была подготовлена специальная выборка последовательностей белков из организмов царства грибов (Fungi), включающая пару "длинных ветвей". При сравнении PQ с программами FastME (метод минимальной эволюции) и RAxML (методы максимального правдоподобия и максимальной экономии) показано, что PQ подвержено данному эффекту в существенно меньшей степени, чем метод максимальной экономии, и не в большей степени, чем два других метода. Доработанная рукопись будет передана в журнал в ближайшее время. Написана и оптимизирована новая программа поиска наибольшего общего поддерева двух филогенетических деревьев UMAST. Программа успешно протестирована на нескольких тысячах пар филогенетических деревьев размера от 10 до 45 листьев, под операционными системами Windows и Linux. Код программы выложен в общий доступ, тем самым программа доступна для локального использования как консольное приложение. Создан также веб-интерфейс к программе UMAST, доступный по адресу http://mouse.belozersky.msu.ru/tools/umast.html. Насколько нам известно, полных аналогов нашей программе нет: существующие программы вычисления наибольшего общего поддерева работают в виде оконных приложений, ни доступных консольных приложений, ни онлайн-программ обнаружить не удалось. Алгоритм вычисления наибольшего общего поддерева применен в качестве оператора скрещивания в генетическом алгоритме оптимизации реконструированной филогении (см. далее). Проведено исследование пригодности различных мер сравнения филогенетических деревьев для системы сравнения качества работы программ реконструкции филогении. Среди этих мер применяемые ранее: число общих ветвей, число общих квартетов (четвёрок листьев с одинаковой индуцированной топологией), два варианта комбинаторного расстояния, а также новая мера: размер наибольшего общего поддерева (её тестирование стало возможно благодаря созданию консольной версии программы UMAST). Проведено сравнение нескольких популярных программ на опубликованной ранее системе. Реализован генетический алгоритм поиска оптимального дерева по схеме Genitor. Получены данные сравнения качества оптимизации с другими методами поиска: nni, spr, методом прямого выращивания. II. Эволюция систем рестрикции-модификации. Исходя из классификации систем РМ, полученной в 2016 год, для детального анализа эволюции были выбраны три класса гомологичных систем. Первые два: RE_TdeIII/N6_N4_Mtase и RE_TdeIII/DNA_Methyltransferase включают ЭР из одного семейства, поэтому они рассматривались совместно. Оба эти класса семейств РМ состоят из сиcтем РМ типа II, и для большинства из них в БД REBASE указаны сайты рестрикции; среди них только два подтверждены экспериментально, остальные предсказаны в REBASE по сходству последовательностей белков согласно критериям, принятым в этой БД. Для описания эволюции ЭР семейства RE_TdeIII были использованы 4395 полных геномов прокариот из списка БД REBASE на момент начала работы. Были собраны и выровнены все последовательности белков, содержащих домен RE_TdeIII, по сведениям из БД Pfam и Uniprot. Всего эта выборка содержала 269 полноразмерных последовательностей белков. Выделены консервативные мотивы и позиции, которые были использованы для проверки принадлежности белков семейству. Полученное выравнивание показало достаточно высокую консервативность белков этого семейства. Двумя методами - с помощью TBLASTN и с помощью поиска по HMM профилю из Pfam среди трансляций всех открытых рамок считывания - в 4395 полных геномах найдены все белки семейства RE_TdeIII. Примечательно, что оба метода показали согласующиеся результаты. Более того, поиск привел лишь к незначительному пополнению первоначального списка 40 систем этих классов, полученному из REBASE; итоговый список включил 45 систем РМ. На основе полученных результатов мы полагаем, что практически все системы РМ этих классов в базовых геномах были найдены. Были построены и сопоставлены филогенетические деревья ЭР RE_TdeIII и МТаз N6_N4_Mtase и DNA_Methyltransferase. Распределение 45-и систем Р-М, содержащих ЭР семейства RE_TdeIII, по 15-и отделам прокариот, архей и бактерий, свидетельствует о преимущественно горизонтальном способе их наследования. Мы предполагаем, такая удивительная эволюция изучаемых систем Р-М может быть объяснена высокой активностью эндонуклеаз рестрикции. При переносе в геном нового хозяина система способствует выживанию популяции т.к. активно защищает от фагов. Мы проверили, что среди 45-фагов тех прокариот, в которых идентифицирована система Р-М, содержащая ЭР семейства RE_TdeIII, лишь в геномах 5-и фагов выявлена недопредставленность сайта рестрикции. С другой стороны, после того, как фаги тем или иным способом найдут защитные механизмы против данной системы Р-М, определенная токсичность системы Р-М для собственного генома способствует удалению ее из генома. О токсичности системы Р-М типа II для собственного генома косвенно свидетельствует избегание сайтов рестрикции в собственном геноме. Такое избегание обнаружено для большинства геномов с изучаемыми системами Р-М. По нашим данным вертикальное наследование системы класса RE_TdeIII/DNA_Methyltransferase наблюдается у фирмикут. Показательно, что в геномах фирмикут недопредставленность сайтов не идентифицируется. Нами найдены два случая переноса отдельных ферментов из системы одного из двух классов в другой, 11 случаев переноса отдельных ферментов внутри класса, 13 случаев горизонтального переноса системы Р-М целиком, четыре таксона (включая фирмикут), в которых можно предположить вертикальное наследование системы Р-М. Полученное нами описание эволюции систем этих классов является новым и, с нашей точки зрения, интересным. Кроме того, методика определения горизонтальных переносов была уточнена и приспособлена нами для анализа гомологичных систем Р-М. Рукопись с этими результатами готовится к публикации. Третьим классом гомологичных систем РМ, выбранным нами для детального изучения, был класс ResIII/N6_Mtase, состоящий из 3568 систем РМ типа I из почти всех отделов (29 отделов) бактерий и архей. Он был выбран как самый распространенный класс в нашей базовой выборке 4594 полных геномов прокариот. Сочетание указанных семейств МТаз и ЭР устойчиво. МТазы семейства N6_Mtase встречаются только классе ResIII/N6_Mtase и в 87 случаях в класс ResIII/2xN6_Mtase. ЭР семейства ResIII, кроме указанных двух классов систем типа I, входят также в классы систем типа III, всегда в сочетании с МТазой семейства N6_N4_Mtase (всего 1551 система РМ). Из-за многочисленности класса ResIII/N6_Mtase и недостаточного качества выравниваний последовательностей всех ЭР семейства ResIII и всех МТаз семейства N6_Mtase мы приняли план изучения эволюции систем этого класса сначала на уровне отделов прокариот, чтобы в дальнейшем перейти к изучению горизонтальных переносов между отделами. В отчетном году мы изучали эволюцию класса ResIII/N6_Mtase в цианобактериях. В полных геномах цианобактерий, представленных в REBASE, мы обнаружили 86 систем P-M класса N6_Mtase/ResIII, представляющие пять семейств. Были построены два филогенетических дерева, отдельно для метилтрансфераз N6_Mtase и рестриктаз ResIII, на основе выравниваний 86 последовательностей каждого из семейств. Деревья были построены методом Maximum Likelihood в программе Mega с бутстрэп 100. Ветви с бутстрэпом менее 50 считались недостаточно надежными, и были “стянуты” к узлу выше. Из-за этого, построенные деревья МТаз и ЭРз не являются бинарными. Сравнив построенные деревья мы обнаружили, что не существует больше чем три рядом находящихся листа, которые принадлежат одному семейству Cyanobacteria. Для мало представленных семейств можно точно определить откуда пришла система P-M. Так, можно утверждать, что система Calothrix_parieina перенесена с помощью горизонтального переноса от систем P-M семейства Chroococcales, а система Р-М Chroococcidiopsis_thermalis произошла от бактерий семейства Oscillatoriales. Таким образом, эти данные подтверждают предположение, что данные системы распространяются только с помощью горизонтально переноса. Следует также заметить, что топологии каждой клады деревьев ЭР и МТаз совпадают. Каждая клада выделена отдельным цветом. Топология же самих клад совпадает на 88%. А именно, существует две клады на каждом дереве (светло-голубая и коричневая), последовательности которых эволюционно близки к разным последовательностям. Таким образом, на примере отдела Cyanobacteria было показано, что системы P-M активно распространяются с помощью горизонтального переноса, и гены ЭР и МТаз передаются преимущественно вместе. Системы Р-М типа I, кроме генов метилтрансферазы и эндонуклеазы рестрикции, включают также два ДНК-узнающих домена семейства Methylase_S, ниже они называются S-домены. Чаще всего, два S-домена закодированы в гене одного S-белка. Встречаются системы Р-М, в которых один или два S-домена включены в ген МТазы. Мы анализировали все случаи совместно. В системах Р-М типа I класса N6_Mtase/ResIII из цианобактерий были идентифицированы 83-и пары S-доменов. Известно, что S-домены эволюционируют очень быстро, что подтверждается построенным нами множественным выравниванием последовательностей всех S-доменов. Из-за этого построить адекватное филогенетическое дерево S-доменов оказалось невозможным. Поэтому мы кластеризовали последовательности S-доменов по сходству с помощью BLAST “все против всех” по сходству более 50%. Проведено сравнение трех наиболее популярных методов оценки представленности сайтов в геноме: метода, основанного на марковской модели максимального применимого порядка (метод MM); метода, предложенного Певзнером и соавторами (PBM), и метода Берджа и соавторов (BCK). Сравнение проводилось на примере сайтов рестрикции в прокариотических геномах и с помощью компьютерной симуляции отбора за или против паттерна в случайных бернуллиевских последовательностях. Предложено и обосновано обобщение этих методов на случай вырожденных паттернов. Мы показали, что разные методы могут выдавать значительно различающиеся результаты — вплоть до 60% различных предсказаний. Продемонстрировано, что метод BCK обладает наибольшей точностью при определении конкретного сайта, находящегося под действием отбора. Преимущество этого метода показано и на сгенерированных данных, и на примере сайтов рестрикции в прокариотических геномах. Все три метода реализованы в программе CBcalc и веб-сервисе на сайте http://mouse.belozersky.msu.ru/tools/cbcalc/. Статья о сравнении методов принята к публикации в журнале Биохимия (Москва). На большой выборке полных геномов прокариотических вирусов, для которых известен хозяин с точностью до вида (3732 геномов), охарактеризовано давление отбора против сайтов рестрикции в зависимости от типа генома и типа системы Р-М. Показано, что, как и предполагалось, для бактериофагов с одно- и двухцепочечным РНК геномом давление отбора на число сайтов рестрикции в них не обнаруживается. У бактериофагов с двухцепочечной ДНК и, в меньшей степени, одноцепочечной ДНК, выявлен отбор в сторону снижения числа сайтов рестрикции. Мы показали, что бактериофаги и вирусы архей не избегают сайтов систем Р-М типов I и IIG. Для систем типа III показано избегание только в небольшом проценте случаев (< 5%). Только для систем типа II (исключая подтипы IIG и IIM) обнаружено систематическое избегание сайтов рестрикции в геномах бактериофагов и вирусов архей, которое можно считать одной из стратегий анти-рестрикции. На примере колифагов из семейства Myoviridae было показано, что бактериофаги, защищенные от действия систем Р-М посредством модификации ДНК, практически не избегают сайтов рестрикции (4% сайтов), тогда как родственные вирусы, лишенные такой защиты, избегают 65% таких сайтов. По результатам работы подготовлена рукопись, которая проходит финальную стадию редактирования текста. Метагеном антарктического озера Глубокое охарактеризован с точки зрения наличия систем Р-М. Анализ групп генов, найденных в контигах метагенома и соответствующих референсных геномов, показал, что популяция бактерий одного вида гетерогенна по составу систем Р-М. Это наблюдение противоречит распространенному в литературе подходу при анализе систем Р-М из полных геномов, когда присутствующие в данной среде бактерии одного вида рассматриваются как носители одного и того же набора систем Р-М. Для референсных геномов проведен анализ недопредставленности всех 371 сайтов систем Р-М типа II. Недопредставленность оценивалась методом, предложенным С.Карлиным с соавторами, преимущество которого над другими методами показана в работе [Русинов, 2017]. Ранее нами было показано, что избегание сайтов рестрикции в геномах прокариот характерно только для систем Р-М типа II кроме подтипов IIG, IIM [Rusinov, 2015]. Проведен анализ избегания 21 сайта систем Р-М типа II и одиночных МТаз, закодированных в данном метагеноме. Избегание сайтов характерно для систем Р-М типа II, но не для сайтов одиночных МТаз, что хорошо согласуется с предыдущими работами [Rusinov, 2015, Seshasayee, 2012]. Есть три исключения - во всех четырех референсных геномах избегается сайт CTAG, который узнается одиночной МТазой. Избегание этого сайта характерно для многих прокариот [Karlin, 1994, Rusinov, 2015], и, вероятно, объясняется причинами, не связанными с действием систем Р-М. Кроме того, наблюдается избегание сайтов GGATCC и TCGCGA, которые узнаются одиночными МТазами, расположенными на неклассифицированных контигах. Такое избегание этих сайтов может означать, что в сообществе присутствуют ЭР с такой специфичностью, которые не были найдены, т.к. их последовательность сильно отличается от известных ЭР. Кроме того, часто сайт избегается в одном геноме, а система с таким сайтом закодирована в другом геноме. Это хорошо согласуется с моделью, предложенной нами в работе [Rusinov, 2015], при которой избегание сайтов системы Р-М свидетельствует о длительности ее вертикального наследования: чем дольше время пребывания системы Р-М в штамме тем более выражена недопредставленность сайта узнавания в геноме. При этом, вероятно, вирусы прокариот также адаптируются к ее присутствию (поскольку их геномы меньше, и они быстрее эволюционируют), система становится бесполезной, и элиминируется из генома. В контигах метагенома выявлены фрагменты геномов вирусов архей. Из-за мозаичной структуры вирусов, эти фрагменты сложно объединить в один геном. Поэтому, для анализа недопредставленности сайтов систем Р-М типа II в геномах вирусов архей из метагенома, были использованы последовательности полных геномов вирусов из БД NCBI, содержащих фрагменты, гомологичные найденным в метагеноме. Анализ представленности 372 сайтов в полных геномах вирусов из NCBI показал, что по характеру избегания вирусы можно разбить на группы. К первой группе относятся вирусы, избегающие небольшое (5-10) число сайтов, но полностью, ко второмй – не избегающие сайтов, распределение близко к нормальному, а к третьей – избегающие сайты слабо, как бактерии. Мы полагаем, что избегание большого числа сайтов может быть связано с широким спектром хозяев фага, и его приспособлением к действию большого числа систем Р-М. Действительно, фаги этой группы относятся к семейству Myoviridae, для которых характерен широкий спектр хозяев [Atanasova, 2015]. Вирусы, избегающие малого числа сайтов, или слабо избегающие сайты систем Р-М, возможно, используют какие-то другие способы защиты от систем Р-М. По результатам данной работы подготовлена рукопись публикации, которая находится на рассмотрении в журнале ISMEI Journal. В совместной работе с коллегами, экспериментально изучающими белок MutL из системы репарации некомплементарных пар нуклеотидов (mismatch repair system, MMR) бактерии Rhodobacter sphaeroides, было выполнено полномасштабное исследование консервативности последовательностей MutL в 4379 репрезентативных геномах бактерий и архей. В отличие от хорошо изученной системы MMR в E.coli, в системе MMR из R.sphaeroides отсутствует эндонуклеаза MutH (точнее, никаза - фермент, расщепляющий одну цепочку ДНК в определенных сайтах). Эту функцию выполняет rsMutL (MutL из R.sphaeroides). Были найдены все гомологи rsMutL и ecMutL (MutL из E.coli) и идентифицированы мотивы I - XII в них. Решался вопрос предсказания наличия эндонуклеазной активности у белков семейства MutL. Результаты этой биоинформатической работы включены в статью, принятую к печати в журнале "Биохимия". Нами классифицированы представители семейства MuL у прокариот. Группа 1 содержит 1390 белков MutL, в которых идентифицированы все пять мотивов, связываемых с эндонуклеазной активностью, и ранее охарактеризованные в литературе аминокислотные остатки активных центров. Для всех таких белков предполагается наличие эндонуклеазной активности. Группа 2 содержит 309 последовательностей белков, у которых не идентифицируются эндонуклеазные мотивы. (Отобраны те последовательности, у которых нет эндонуклеазного мотива XII, и обнаружено, что у них почти никогда нет и других четырех эндонуклеазных мотивов). Предположительно, представители этой группы не обладают эндонуклеазной активностью. Группа 1а включает 93 белка MutL, у которых имеется эндонуклеазный мотив XII, но отсутствуют эндонуклеазные мотивы XIV и XV. Показано, что у всех из них в мотиве XII заменен хотя бы один из аминокислотных остатков, участвующих в формировании активного центра согласно ранее опубликованным работам. Возможно, представители этой группы потеряли эндонуклеазную активность, но требуются дополнительные эксперименты для проверки этого предположения. Также в работе описано таксономическое распределение групп. III. Нуклеотидные пангеномы. Разработан ряд программ для пост-обработки нуклеотидных пангеномов. В частности, созданы программы для сравнения аннотаций генов из разных геномов, пересекающихся в выравниваниях блоков. Эти программы применены для сравнения аннотаций генов в 55-и геномах рода Brucella. Продолжена работа по построению нуклеотидных пангеномов видов бактерий и архей с помощью пакета программ NPG-explorer. В настоящее время построены нуклеотидные пангеномы 81 вида с параметрами по умолчанию. А именно, длина выравнивания блока ортологичных фрагментов из разных геномов должно быть не менее 100 позиций и процент консервативных колонок в блоке должен быть не менее 90%. Эти требования не применяются к т.н. минорным блокам, они состоят из фрагментов входных геномных последовательностей длины менее порога 100 п.н., соединяющих последовательно идущие "настоящие" блоки, на качество выравнивания нет ограничений. Из построенных нуклеотидных пангеномов только 50 пригодны для сравнения. Критерием отбора было значение процента консервативных позиций в объединенном выравнивании т.н. стабильных блоков более 93%. Дело в том, что если этот показатель близок к порогу 90%, то с учетом дисперсии процентов консервативности в стабильных блоках следует ожидать, что в геномах есть стабильные блоки, т.е. блоки, содержащие по одному ортологичному фрагменту в каждом геноме, со сходством менее порога 90%. Остальные NN нуклеотидных пангеномов предстоит перепостроить с измененными параметрами или разделить все геномы одного вида на подгруппы по сходству и построить нуклеотидные пангеномы этих подгрупп. Был выполнен сравнительный анализ нуклеотидных пангеномов Streptococcus pyogenes (51 геном) и Streptococcus pneumoniae (33 генома). Основываясь на опыте использования пакета NPG-explorer был составлен список доработок этого пакета. | ||
| 3 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Молекулярная эволюция генов, систем генов и геномов: новые методы и их применение |
| Результаты этапа: Получены результаты по трем нправлениям. I. Реконструкция филогении В журнале BMC Bioinformatics опубликована статья о новой программе филогенетической реконструкции PQ, см. https://bmcbioinformatics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12859-018-2399-4 . Помимо описания самой программы, в статью включены данные, подтверждающие преимущество дистанционного метода минимальной эволюции над методами максимальной экономии и максимального правдоподобия, а также указывающие на непригодность симулированных последовательностей для задачи тестирования филогенетических программ. Создана программа и веб-интерфейс к ней (http://mouse.belozersky.msu.ru/tools/consensefastme.html ), позволяющая получать неразрешённое дерево, содержащее только достоверные ветви. Программа основана на сравнении результатов работы свободно распространяемой программы FastME при разном, случайно перемешанном, порядке входных последовательностей. Результаты доложены на международной молодёжной конференции «Ломоносов- 2018», https://lomonosov-msu.ru/archive/Lomonosov_2018/data/13738/68559_uid242007_report.pdf . Доработана программа UMAST и написан черновой вариант краткого сообщения о ней (программа доступна по адресу https://github.com/AndrewSigorskih/UMAST ). Завершена отладка и тестирование нового алгоритма оптимизации филогенетического дерева, основанного на подходе "Genitor" (варианте генетического алгоритма). Данный вариант оптимизации встроен в последнюю версию программы PQ (http://mouse.belozersky.msu.ru/software/pq/latest/ ). Результаты доложены на конференции «Ломоносов-2018»: https://lomonosov-msu.ru/archive/Lomonosov_2018/data/13738/72564_uid244145_report.pdf и международной конференции ECCB18 (http://eccb18.org/wp-content/uploads/2018/09/ECCB2018_Poster_Program_4.pdf, постер P_Pr013). Продолжена работа над системой сравнения программ филогенетической реконструкции. Созданы новые наборы выравниваний эволюционных доменов, по сравнению со старой версией наборов стало больше, они охватывают существенно больше таксонов клеточных организмов, и каждое выравнивание теперь включает не 25 или 45 последовательностей, как в предыдущей версии, а 60. Новые наборы выравниваний и референсные деревья организмов доступны по адресу http://mouse.belozersky.msu.ru/phylobench/beta . Продолжена работа над предсказанием качества филогенетической реконструкции методами машинного обучения. Проведена работы по тестированию различных наборов признаков и нескольких алгоритмов машинного обучения. Результаты доложены на международной конференции ECCB18 (http://eccb18.org/wp- content/uploads/2018/09/ECCB2018_Poster_Program_4.pdf, постер P_Da073). II. Эволюция систем рестрикции модификации Мы изучили явление избегания сайтов рестрикции в бактериофагах и вирусах архей. Результаты опубликованы в журнале BMC Genomics https://bmcgenomics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12864-018-5324-3. Показано, что избегание сайтов рестрикции в геномах вирусов прокариот как защитный механизм, имеет ограниченное распространение и наблюдается только у ДНК-содержащих вирусов. Избегание сайтов более выражено у вирулентных вирусов, чем у умеренных. Кроме того, избегание сайтов касается практически исключительно сайтов т.н. ортодоксальных систем рестрикции-модификации типа II. Ранее нами были выделены классы гомологичных систем рестрикции-модификации. Для нескольких классов мы обнаружили удивительные сценарии эволюции систем рестрикции-модификации из одного класса. А именно, все системы – представители одного класса распределены по нескольку штук в таксонах высокого порядка – отделах бактерий и архей. Это свидетельствует о том, что они подвержены горизонтальным переносам и редко наследуются вертикально. В 2018 году нам удалось увеличить на порядок число систем в изучаемых классах и на большем материале подтвердить ранее полученные выводы. Изучено разнообразие систем рестрикции-модификации в различных областях Мирового океана (Индийском и Тихом). Полученные данные позволяют предполагать интенсивное перемешивание микрорганизмов в океане, а также показывают вклад систем Р-М в защиту микроорганизмов от вирусов. III. Нуклеотидные пангеномы. С помощью пакета NPG explorer с одинаковыми параметрами программы построены нуклеотидные пангеномы для 80 видов бактерий и архей, представленных десятью или более полными геномами штаммов. В единой таблице собраны основные параметры нуклеотидных пангеномов: размер нуклеотидного ядра, процент консервативных позиций в объединеннов выравнивании блоков, составляюших ядро, число синтеничных участков в пангеноме, процент блоков, соответствующих крупным делециям и вставкам в геномах, от размера нуклеотидного пангенома, процент повторов в геномах и др. По этой таблице были найдены виды с экстремальными значениями этих параметров. IV. С помощью специально созданной программы найдены GAR (глицин, аргинин богатые) домены малой сложности в 141608 белках. Предложен метод анализа филогении GAR доменов, основанный на выделении множественных признаков последовательностей GAR доменов и применении методов машинного обучения. Найдены случаи независимого возникновения GAR доменах в белках на разных ветвях эволюции. Показано, что преимущественные функции GAR-содержащих белков — связывание RNA, хеликазная активность и другие функции, связанные со взаимодействием с нуклеиновыми кислотами. Результаты докладывались на международных конференциях «Ломоносов-2018» https://lomonosov-msu.ru/archive/Lomonosov_2018/data/13738/75289_uid249895_report.pdf и Проект No 16-14-10319/2018 Страница 11 из 40 BGRS\SB 2018 http://conf.bionet.nsc.ru/bgrssb2018/wp-content/uploads/sites/15/2017/01/BioGenEvo-2018.pdf p. 24. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".