Микробное ДНК-штрихкодирование

Микробное ДНК-штрихкодирование — это использование ДНК-метабаркодирования для характеристики смеси микроорганизмов . ДНК-метабаркодирование — это метод ДНК-штрихкодирования, который использует универсальные генетические маркеры для идентификации ДНК смеси организмов. [1]

История

Часть серии статей о
ДНК-штрихкодирование
 
ДНК-штрихкодирование • Метабаркодирование
 
По таксонам
Другой


Использование метабаркодирования для оценки микробных сообществ имеет долгую историю. Еще в 1972 году Карл Вёзе , Митчелл Согин и Стивен Согин впервые попытались обнаружить несколько семейств внутри бактерий с помощью гена 5S рРНК . [2] Всего несколько лет спустя новое древо жизни с тремя доменами было предложено снова Вёзе и коллегами, которые были первыми, кто использовал малую субъединицу гена рибосомальной РНК (SSU рРНК) для различения бактерий, архей и эукариот . [3] Благодаря этому подходу ген SSU рРНК стал наиболее часто используемым генетическим маркером как для прокариот (16S рРНК), так и для эукариот ( 18S рРНК ). Утомительный процесс клонирования этих фрагментов ДНК для секвенирования ускорился благодаря постоянному совершенствованию технологий секвенирования. С развитием высокопроизводительного секвенирования (HTS) в начале 2000-х годов и возможностью обработки этих огромных объемов данных с использованием современных биоинформатических и кластерных алгоритмов исследование микробной жизни стало намного проще.

Генетические маркеры

Генетическое разнообразие варьируется от вида к виду. Поэтому можно идентифицировать различные виды путем восстановления короткой последовательности ДНК из стандартной части генома. Эта короткая последовательность определяется как последовательность штрихкода. Требования к определенной части генома, которая будет служить штрихкодом, должны быть высокими вариациями между двумя разными видами , но не такими большими различиями в гене между двумя особями одного вида, чтобы облегчить дифференциацию отдельных видов. [4] [5] Как для бактерий, так и для архей используется ген 16S рРНК/рДНК. Это общий ген домашнего хозяйства во всех прокариотических организмах, и поэтому он используется в качестве стандартного штрихкода для оценки прокариотического разнообразия. Для простейших используется соответствующий ген 18S рРНК/рДНК. [6] Чтобы различать различные виды грибов, используется область ITS ( внутренний транскрибируемый спейсер ) рибосомального цистрона . [7]

Преимущества

Существующее разнообразие микробного мира еще не полностью раскрыто, хотя мы знаем, что он в основном состоит из бактерий, грибов и одноклеточных эукариот. [4] Таксономическая идентификация микробных эукариот требует чрезвычайно искусных знаний и часто затруднена из-за небольших размеров организмов, фрагментированных особей, скрытого разнообразия и криптических видов . [8] [9] Кроме того, прокариоты просто не могут быть таксономически отнесены с помощью традиционных методов, таких как микроскопия , потому что они слишком малы и морфологически неразличимы. Поэтому с помощью метабаркодирования ДНК можно идентифицировать организмы без таксономической экспертизы, сопоставляя короткие фрагменты генов, полученные с помощью высокопроизводительных последовательностей (HTS), с базой данных референтных последовательностей, например, NCBI . [10] Эти упомянутые качества делают ДНК-баркодирование экономически эффективным, надежным и менее трудоемким методом по сравнению с традиционными, чтобы удовлетворить растущую потребность в крупномасштабных оценках окружающей среды.

Приложения

Множество исследований последовало за первым использованием Woese et al. и теперь охватывают множество приложений. Метабаркодирование используется не только в биологических или экологических исследованиях. Бактериальные штрихкоды используются также в медицине и биологии человека, например, для исследования микробиома и бактериальной колонизации человеческого кишечника у нормальных и тучных близнецов [11] или сравнительных исследований состава кишечных бактерий новорожденных, детей и взрослых. [12] Кроме того, штрихкодирование играет важную роль в биомониторинге, например, рек и ручьев [13] и восстановлении пастбищ. [14] Паразитология сохранения, экологическая паразитология и палеопаразитология также полагаются на штрихкодирование как на полезный инструмент при исследовании и лечении заболеваний. [15]

Цианобактерии

Цианобактерии — это группа фотосинтетических прокариот . Подобно другим прокариотам, таксономия цианобактерий с использованием последовательностей ДНК в основном основана на сходстве в пределах рибосомального гена 16S . [16] Таким образом, наиболее распространенным штрихкодом, используемым для идентификации цианобактерий, является маркер рДНК 16S . Хотя трудно определить виды в пределах прокариотических организмов, маркер 16S можно использовать для определения отдельных операционных таксономических единиц (OTU). В некоторых случаях эти OTU также могут быть связаны с традиционно определенными видами и, следовательно, могут считаться надежным представлением эволюционных отношений . [17]

Цианобактерии рода Dolichospermum под микроскопом.

Однако при анализе таксономической структуры или биоразнообразия всего сообщества цианобактерий (см. ДНК метабаркодирование ), более информативно использовать маркеры, специфичные для цианобактерий. Универсальные бактериальные праймеры 16S успешно использовались для выделения рДНК цианобактерий из образцов окружающей среды , но они также восстанавливают множество бактериальных последовательностей. [18] [19] Использование цианобактерий-специфичных [20] или фито-специфичных маркеров 16S обычно используется для фокусировки только на цианобактериях. [21] Несколько наборов таких праймеров были протестированы для штрихкодирования или метабаркодирования образцов окружающей среды и дали хорошие результаты, отсеивая большинство нефотосинтезирующих или нецианобактериальных организмов. [22] [21] [23] [24]

Число секвенированных геномов цианобактерий, доступных в базах данных, увеличивается. [25] Таким образом , помимо маркера 16S, филогенетические исследования могут также включать более вариабельные последовательности, такие как последовательности генов, кодирующих белок (gyrB, rpoC, rpoD, [26] rbcL, hetR, [27] psbA, [28] [29] rnpB, [30] nifH, [31] nifD [32] ), внутренний транскрибируемый спейсер генов рибосомальной РНК (16S-23S рРНК-ITS) [33] [25] или межгенный спейсер фикоцианина (PC-IGS). [33] Однако nifD и nifH могут использоваться только для идентификации штаммов цианобактерий, фиксирующих азот.

ДНК-штрихкодирование цианобактерий может применяться в различных экологических, эволюционных и таксономических исследованиях. Некоторые примеры включают оценку разнообразия и структуры сообщества цианобактерий, [34] идентификацию вредных цианобактерий в экологически и экономически важных водоемах [35] и оценку симбионтов цианобактерий у морских беспозвоночных . [24] Он может служить частью обычных программ мониторинга появления цианобактерий, а также раннего обнаружения потенциально токсичных видов в водоемах. Это может помочь нам обнаружить вредные виды до того, как они начнут образовывать цветение , и, таким образом, улучшить наши стратегии управления водными ресурсами. Идентификация видов на основе экологической ДНК может быть особенно полезна для цианобактерий, поскольку традиционная идентификация с использованием микроскопии является сложной задачей. Их морфологические характеристики, которые являются основой для разграничения видов, различаются в разных условиях роста. [20] [36] Идентификация под микроскопом также требует много времени и, следовательно, относительно затратна. Молекулярные методы позволяют обнаружить гораздо более низкую концентрацию клеток цианобактерий в образце, чем традиционные методы идентификации.

Справочные базы данных

Справочная база данных представляет собой набор последовательностей ДНК, которые назначаются либо виду, либо функции. Она может использоваться для связывания полученных молекулярных последовательностей организма с уже существующей таксономией. Общие базы данных, такие как платформа NCBI , включают все виды последовательностей, как целые геномы, так и специфические маркерные гены всех организмов. Существуют также различные платформы, где хранятся только последовательности из определенной группы организмов, например, база данных UNITE [37] исключительно для последовательностей грибов или база данных PR2 исключительно для рибосомных последовательностей протистов. [38] Некоторые базы данных курируются, что позволяет выполнять таксономическое назначение с более высокой точностью, чем использование некурируемых баз данных в качестве ссылки.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Elbrecht V, Leese F (8 июля 2015 г.). «Могут ли оценки экосистем на основе ДНК количественно определить численность видов? Тестирование смещения праймера и биомассы — связи последовательностей с инновационным протоколом метабаркодирования». PLOS ONE . ​​10 (7): e0130324. Bibcode :2015PLoSO..1030324E. doi : 10.1371/journal.pone.0130324 . PMC  4496048 . PMID  26154168.
  2. ^ Sogin SJ, Sogin ML, Woese CR (июнь 1972 г.). «Филогенетические измерения у прокариот с помощью первичной структурной характеристики». Журнал молекулярной эволюции . 1 (2): 173–84 . Bibcode :1972JMolE...1..173S. doi :10.1007/BF01659163. PMID  24173440. S2CID  3666143.
  3. ^ Woese CR, Kandler O, Wheelis ML (июнь 1990 г.). «К естественной системе организмов: предложение для доменов Archaea, Bacteria и Eucarya». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 87 (12): 4576– 9. Bibcode : 1990PNAS ...87.4576W. doi : 10.1073/pnas.87.12.4576 . PMC 54159. PMID  2112744. 
  4. ^ ab Chakraborty C, Doss CG, Patra BC, Bandyopadhyay S (апрель 2014 г.). «ДНК-штрихкодирование для картирования микробных сообществ: текущие достижения и будущие направления». Прикладная микробиология и биотехнология . 98 (8): 3425– 36. doi :10.1007/s00253-014-5550-9. PMID  24522727. S2CID  17591196.
  5. ^ Hajibabaei M, Singer GA, Clare EL, Hebert PD (июнь 2007 г.). «Проектирование и применимость ДНК-массивов и ДНК-штрихкодов в мониторинге биоразнообразия». BMC Biology . 5 (1): 24. doi : 10.1186/1741-7007-5-24 . PMC 1906742 . PMID  17567898. 
  6. ^ Gardham S, Hose GC, Stephenson S, Chariton AA (2014). «ДНК-метабаркодирование встречается с экспериментальной экотоксикологией». Большие данные в экологии . Достижения в экологических исследованиях. Том 51. С.  79–104 . doi :10.1016/B978-0-08-099970-8.00007-5. ISBN 978-0-08-099970-8.
  7. ^ Creer S, Deiner K, Frey S, Porazinska D, Taberlet P, Thomas WK, Potter C, Bik HM (сентябрь 2016 г.). "Полевое руководство эколога по идентификации биоразнообразия на основе последовательностей" (PDF) . Методы в экологии и эволюции . 7 (9): 1008– 1018. doi : 10.1111/2041-210X.12574 .
  8. ^ Bickford D, Lohman DJ, Sodhi NS, Ng PK, Meier R, Winker K, Ingram KK, Das I (март 2007 г.). «Криптические виды как окно в разнообразие и сохранение» (PDF) . Trends in Ecology & Evolution . 22 (3): 148– 55. doi :10.1016/j.tree.2006.11.004. PMID  17129636.
  9. ^ Sáez AG, Lozano E (январь 2005 г.). "Двойники тела". Nature . 433 (7022): 111. Bibcode :2005Natur.433..111S. doi : 10.1038/433111a . PMID  15650721. S2CID  4413395.
  10. ^ Keeley N, Wood SA, Pochon X (февраль 2018 г.). «Разработка и предварительная проверка мультитрофического метабаркодирующего биотического индекса для мониторинга обогащения бентоса органическими веществами». Ecological Indicators . 85 : 1044–1057 . doi :10.1016/j.ecolind.2017.11.014.
  11. ^ Turnbaugh PJ, Hamady M, Yatsunenko T, Cantarel BL, Duncan A, Ley RE, Sogin ML, Jones WJ, Roe BA, Affourtit JP, Egholm M, Henrissat B, Heath AC, Knight R, Gordon JI (январь 2009 г.). "Основной микробиом кишечника у тучных и худых близнецов". Nature . 457 (7228): 480– 4. Bibcode :2009Natur.457..480T. doi :10.1038/nature07540. PMC 2677729 . PMID  19043404. 
  12. ^ Яцуненко Т, Рей FE, Манари МДж, Трехан И, Домингес-Белло МГ, Контрерас М, Магрис М, Идальго Г, Балдассано РН, Анохин АП, Хит АС, Уорнер Б, Ридер Дж, Кучински Дж, Капорасо ДжГ, Лозупоне КА, Лаубер С, Клементе ДжК, Найтс Д, Найтс Р, Гордон ДЖИ (май 2012 г.). «Микробиом кишечника человека в зависимости от возраста и географии». Nature . 486 (7402): 222– 7. Bibcode :2012Natur.486..222Y. doi :10.1038/nature11053. PMC 3376388 . PMID  22699611. 
  13. ^ Vasselon V, Rimet F, Tapolczai K, Bouchez A (ноябрь 2017 г.). «Оценка экологического статуса с помощью метабаркодирования ДНК диатомовых водорослей: масштабирование в сети мониторинга WFD (остров Майотта, Франция)». Ecological Indicators . 82 : 1– 12. doi :10.1016/j.ecolind.2017.06.024.
  14. ^ Guo Y, Hou L, Zhang Z, Zhang J, Cheng J, Wei G, Lin Y (12 марта 2019 г.). «Микробное разнообразие почвы в течение 30 лет восстановления пастбищ на Лессовом плато: тесные связи с разнообразием растений». Деградация и развитие земель . doi : 10.1002/ldr.3300. S2CID  133936992.
  15. ^ Morand S (апрель 2018 г.). «Достижения и проблемы в области штрихкодирования микробов, паразитов, их переносчиков и резервуаров». Паразитология . 145 (5): 537–542 . doi : 10.1017/S0031182018000884 . PMID  29900810.
  16. ^ Росселло-Мора Р. (сентябрь 2005 г.). «Обновление прокариотической таксономии». Журнал бактериологии . 187 (18): 6255– 7. doi : 10.1128 /JB.187.18.6255-6257.2005. PMC 1236658. PMID  16159756. 
  17. ^ Eckert EM, Fontaneto D, Coci M, Callieri C (декабрь 2014 г.). «Существует ли разрыв в штрихкодировании у прокариот? Доказательства разграничения видов у цианобактерий». Life . 5 (1): 50–64 . doi : 10.3390/life5010050 . PMC 4390840 . PMID  25561355. 
  18. ^ Rappé MS, Suzuki MT, Vergin KL, Giovannoni SJ (январь 1998 г.). «Филогенетическое разнообразие генов малых субъединиц рРНК ультрапланктонных пластид, выделенных из образцов нуклеиновых кислот из окружающей среды с тихоокеанского и атлантического побережья США». Applied and Environmental Microbiology . 64 (1): 294– 303. Bibcode :1998ApEnM..64..294R. doi :10.1128/AEM.64.1.294-303.1998. PMC 124708 . PMID  9435081. 
  19. ^ Ван дер Гухт К, Вандекеркхове Т, Вломанс Н, Кузен С, Мюйлар К, Саббе К, Джиллис М, Деклерк С, Де Мистер Л, Виверман В (июль 2005 г.). «Характеристика бактериальных сообществ в четырех пресноводных озерах, различающихся по содержанию питательных веществ и структуре пищевой сети». FEMS Microbiology Ecology . 53 (2): 205– 20. doi :10.1016/j.femsec.2004.12.006. PMID  16329941.
  20. ^ ab Nübel U, Garcia-Pichel F, Muyzer G (август 1997 г.). "Праймеры ПЦР для амплификации генов 16S рРНК из цианобактерий". Applied and Environmental Microbiology . 63 (8): 3327– 32. Bibcode :1997ApEnM..63.3327N. doi :10.1128/AEM.63.8.3327-3332.1997. PMC 168636 . PMID  9251225. 
  21. ^ ab Stiller JW, McClanahan AN (март 2005 г.). «Фитоспецифичные праймеры ПЦР 16S рДНК для восстановления последовательностей водорослей и растений из смешанных образцов». Molecular Ecology Notes . 5 (1): 1– 3. doi :10.1111/j.1471-8286.2004.00805.x.
  22. ^ Betournay S, Marsh AC, Donello N, Stiller JW (июнь 2007 г.). «Избирательное восстановление микроводорослей из различных местообитаний с использованием «фитоспецифичных» праймеров 16S рДНК». Журнал Phycology . 43 (3): 609– 613. doi :10.1111/j.1529-8817.2007.00350.x. S2CID  84399666.
  23. ^ Boutte C, Grubisic S, Balthasart P, Wilmotte A (июнь 2006 г.). «Тестирование праймеров для изучения молекулярного разнообразия цианобактерий с помощью DGGE». Журнал микробиологических методов . 65 (3): 542–50 . doi :10.1016/j.mimet.2005.09.017. hdl : 2268/19902 . PMID  16290299.
  24. ^ ab López-Legentil S, Song B, Bosch M, Pawlik JR, Turon X (22 августа 2011 г.). «Разнообразие цианобактерий и новый симбионт, похожий на акариохлорис, из багамских асцидий». PLOS ONE . 6 (8): e23938. Bibcode : 2011PLoSO...623938L. doi : 10.1371/journal.pone.0023938 . PMC 3161822. PMID  21915246 . 
  25. ^ аб Ютершек М, Клеменчич М, Долинар М (декабрь 2017 г.). «Дискриминация между членами Synechocystis (цианобактериями) на основе гетерогенности их 16S рРНК и областей ITS». Акта Химика Словеница . 64 (4): 804–817 . doi : 10.17344/acsi.2017.3262 . ПМИД  29318299.
  26. ^ Seo PS, Yokota A (июнь 2003 г.). «Филогенетические связи цианобактерий, выведенные из последовательностей генов 16S рРНК, gyrB, rpoC1 и rpoD1». Журнал общей и прикладной микробиологии . 49 (3): 191– 203. doi : 10.2323/jgam.49.191 . PMID  12949700.
  27. ^ Tomitani A, Knoll AH, Cavanaugh CM, Ohno T (апрель 2006 г.). «Эволюционная диверсификация цианобактерий: молекулярно-филогенетические и палеонтологические перспективы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (14): 5442– 7. Bibcode : 2006PNAS..103.5442T. doi : 10.1073/pnas.0600999103 . PMC 1459374. PMID  16569695 . 
  28. ^ Гесс В.Р., Вейхе А., Луазо-де Гёр С., Партенский Ф., Воло Д. (март 1995 г.). «Характеристика единственного гена psbA Prochromococcus marinus CCMP 1375 (Prochromophyta)». Молекулярная биология растений . 27 (6): 1189–96 . doi : 10.1007/BF00020892. PMID  7766900. S2CID  26973191.
  29. ^ Morden CW, Golden SS (январь 1989). "psbA genes indicator common gens of prochlorophytes and chloroplasts". Nature . 337 (6205): 382– 5. Bibcode :1989Natur.337..382M. doi :10.1038/337382a0. PMID  2643058. S2CID  4275907.
  30. ^ Vioque A (сентябрь 1997 г.). «РНК РНКазы P из цианобактерий: короткие тандемно повторяющиеся повторяющиеся (STRR) последовательности присутствуют в гене РНК РНКазы P у гетероцистообразующих цианобактерий». Nucleic Acids Research . 25 (17): 3471– 7. doi :10.1093/nar/25.17.3471. PMC 146911. PMID  9254706 . 
  31. ^ Zehr JP, Mellon MT, Hiorns WD (апрель 1997 г.). «Филогения генов nifH цианобактерий: эволюционные последствия и потенциальное применение в природных сообществах». Микробиология . 143 (ч. 4) (4): 1443–50 . doi : 10.1099/00221287-143-4-1443 . PMID  9141707.
  32. ^ Henson BJ, Hesselbrock SM, Watson LE, Barnum SR (март 2004). «Молекулярная филогения гетероцистных цианобактерий (подразделы IV и V) на основе nifD». Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 54 (Pt 2): 493–7 . doi : 10.1099/ijs.0.02821-0 . PMID  15023966.
  33. ^ ab Piccin-Santos V, Brandão MM, Bittencourt-Oliveira M (август 2014 г.). Gabrielson P (ред.). «Филогенетические исследования Geitlerinema и Microcystis (Cyanobacteria) с использованием PC-IGS и 16S-23S ITS в качестве маркеров: исследование горизонтального переноса генов». Journal of Phycology . 50 (4): 736– 43. doi :10.1111/jpy.12204. PMID  26988457. S2CID  37954121.
  34. ^ Dadheech PK, Glöckner G, Casper P, Kotut K, Mazzoni CJ, Mbedi S, Krienitz L (август 2013 г.). «Разнообразие цианобактерий в горячих источниках, пелагических и бентосных местообитаниях тропического содового озера». FEMS Microbiology Ecology . 85 (2): 389– 401. doi : 10.1111/1574-6941.12128 . PMID  23586739.
  35. ^ Kurobe T, Baxa DV, Mioni CE, Kudela RM, Smythe TR, Waller S, Chapman AD, Teh SJ (2013). «Идентификация вредных цианобактерий в дельте Сакраменто-Сан-Хоакин и озере Клир, Калифорния, с помощью ДНК-штрихкодирования». SpringerPlus . 2 (1): 491. doi : 10.1186/2193-1801-2-491 . PMC 3797325 . PMID  24133644. 
  36. ^ Gugger M, Lyra C, Henriksen P, Couté A, Humbert JF, Sivonen K (сентябрь 2002 г.). «Филогенетические сравнения родов цианобактерий Anabaena и Aphanizomenon». Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 52 (ч. 5): 1867– 80. doi : 10.1099/00207713-52-5-1867 . PMID  12361299.
  37. ^ "UNITE". unite.ut.ee . Получено 28.03.2019 .
  38. ^ Guillou L, Bachar D, Audic S, Bass D, Berney C, Bittner L и др. (январь 2013 г.). «База данных рибосомальных референтов протистов (PR2): каталог последовательностей малых субъединиц рРНК одноклеточных эукариот с курируемой таксономией». Nucleic Acids Research . 41 (выпуск базы данных): D597–604. doi :10.1093/nar/gks1160. PMC 3531120. PMID  23193267 . 
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Микробное_ДНК_штрихкодирование&oldid=1260701143"