Бактериялық филодинамика - Википедия - Bacterial phylodynamics

Бактериялардың филодинамикасы зерттеу болып табылады иммунология, эпидемиология, және филогенетика туралы бактериалды патогендер жақсы түсіну үшін эволюциялық осы патогендердің рөлі.[1][2][3] Филодинамикалық талдау талдауды қамтиды генетикалық әртүрлілік, табиғи сұрыптау және пандемия кезіндегі инфекциялық ауру қоздырғышының филогенезінің популяция динамикасы және вирустардың иесі ішіндегі эволюциясын зерттеу.[4] Филодинамика зерттеуді біріктіреді филогенетикалық талдау, экологиялық және эволюциялық процестер спатиотемортальды ауруды қоздыратын механизмдерді және бактерия қоздырғыштарының филогенетикалық заңдылықтарын жақсы түсіну үшін.[2][4] Бактериялық филодинамиканың қолданылуы геном - жалпы бір нуклеотидті полиморфизмдер (SNP) бактериялық қоздырғыштардың эволюциялық механизмін жақсы түсіну үшін.[5] Вирустарға көптеген филодинамикалық зерттеулер жүргізілген РНҚ вирустары (қараңыз Вирустық филодинамика ) мутация жылдамдығы жоғары. Алға жылжуына байланысты бактериалды филодинамиканың өрісі едәуір өсті келесі буынның реттілігі және қол жетімді деректер саны.

Әдістер

Роман гипотезасы (оқу дизайны)

Зерттеулер хост ішіндегі немесе хост аралық өзара әрекеттесуді байқауға арналған болуы мүмкін. Бактериялардың филодинамикалық зерттеулері, әдетте, белгілі бір географиялық орналасқан жердегі немесе бірнеше түрлі географиялық орындардағы көптеген әр түрлі иелерден алынған үлгілермен хост аралық өзара әрекеттесуге бағытталған.[4] Зерттеу дизайнының маңызды бөлігі - іріктеу стратегиясын қалай ұйымдастыруға болатындығы.[4] Мысалы, іріктелген уақыт нүктелерінің саны, іріктеу аралығы және уақыт нүктесіндегі реттілік саны филодинамикалық талдау үшін өте маңызды.[4] Іріктеу әдісі әр түрлі салықтық үлгілерді қарау кезінде қиындықтар тудырады.[3] Мысалы, шектеулі географиялық аймақтан іріктеу халықтың тиімді санына әсер етуі мүмкін.[6]

Деректер жасалуда

Эксперименттік параметрлер

Геномды немесе геномдық аймақтарды ретке келтіру және қандай тізбектеу әдісін қолдану филодинамикалық талдаудың маңызды эксперименттік параметрі болып табылады. Бүкіл геномды секвенирлеу көбінесе бактериялық геномдарда жүргізіледі, бірақ зерттеудің дизайнына байланысты филодинамикалық талдау үшін көптеген түрлі әдістерді қолдануға болады. Бактериялардың геномдары анағұрлым үлкен және эволюциялық жылдамдығы баяу, содан кейін РНҚ вирустары бактериялық филодинамикаға зерттеулерді шектейді. Секвенирлеу технологиясының дамуы бактериалды филодинамиканы мүмкін етті, бірақ бүкіл бактерия геномын дұрыс дайындау міндетті болып табылады.

Туралау

Филодинамикалық талдауға арналған үлгілері бар жаңа деректер жиынтығы алынған кезде, жаңа мәліметтер жиынтығындағы реттіліктер тураланған.[4] A BLAST іздеу қызығушылық тудыратын қоздырғыштың ұқсас штамдарын табу үшін жиі орындалады. BLAST-тен туралау үшін жиналған дәйектерге деректер жиынтығына тиісті ақпарат қосылуы керек, мысалы, үлгіні жинау күні және үлгінің географиялық орны. Бірізділікті туралаудың бірнеше алгоритмдері (мысалы, MUSCLE,[7] MAFFT,[8] және КЛУСАЛДЫҚ В.[9]) мәліметтер жиынтығын барлық таңдалған реттілікке сәйкестендіреді. Бірізділікті туралаудың бірнеше алгоритмін іске қосқаннан кейін, туралауды қолмен редакциялау ұсынылады.[4] Бірізділікті туралаудың бірнеше алгоритмдері индельдер болмаған кезде индекстердің көп мөлшерін реттілікке теңестіре алады.[4] Мәліметтер жиынтығындағы индельдерді қолмен өңдеу филогенетикалық ағашқа дәлірек мүмкіндік береді.[4]

Сапа бақылауы

Дәл филодинамикалық анализге ие болу үшін сапаны бақылау әдістері орындалуы керек. Бұған мәліметтер жиынтығындағы ықтимал ластануды тексеру, тізбектердің филогенетикалық сигналын өлшеу және рекомбинантты штамдардың ықтимал белгілері бойынша тізбекті тексеру кіреді.[4] Мәліметтер жиынтығындағы үлгілердің ластануын әртүрлі зертханалық әдістермен және ДНҚ / РНҚ экстракциясының тиісті әдістерімен алып тастауға болады. Филогенетикалық сигналды туралау кезінде тексерудің бірнеше әдісі бар, мысалы, ықтималдықты картографиялау, дивергенция сызбаларына қарсы ауысу / трансверсиялар және қанықтылыққа арналған Ся тесті.[4] Егер теңестірудің филогенетикалық сигналы тым төмен болса, филогенетикалық талдау жүргізу үшін ағзадағы ұзағырақ туралау немесе басқа геннің туралануы қажет болуы мүмкін.[4] Әдетте алмастырудың қанықтылығы вирустық тізбектегі мәліметтер жиынтығында ғана болады. Филогенетикалық анализ үшін қолданылатын алгоритмдердің көпшілігі рекомбинацияны ескермейді, бұл молекулалық сағатты және бірнеше реттіліктің туралану коалесценттік бағаларын өзгерте алады.[4] Рекомбинация белгілерін көрсететін штамдарды не мәліметтер жиынтығынан алып тастау керек, не өздігінен талдау жасау керек.[4]

Мәліметтерді талдау

Эволюциялық модель

Ең жақсы фитинг нуклеотид немесе амин қышқылының орнын басу моделі үшін бірнеше реттілікті туралау филодинамикалық талдаудың алғашқы сатысы болып табылады. Мұны бірнеше түрлі алгоритмдермен орындауға болады (мысалы, IQTREE,[10] MEGA[11]).

Филогения туралы қорытынды

Филогенияны қорытындылаудың бірнеше түрлі әдістері бар. Сияқты әдістерге ағаш салу алгоритмдері жатады UPGMA, көрші қосылу, максималды парсимония, максималды ықтималдығы, және Байес талдау.[4]

Гипотезаны тексеру

Филогенетикалық қолдауды бағалау

Ағаштың филогениясын анықтағаннан кейін оның сенімділігін тексеру филодинамикалық құбырдағы шешуші кезең болып табылады.[4] Ағаштың сенімділігін тексеру әдістеріне жатады жүктеу, ықтималдылықты максималды бағалау, және артқы ықтималдықтар жылы Байес талдау.[4]

Филодинамикалық қорытынды

Мәліметтер жиынтығының филодинамикалық сенімділігін бағалау үшін бірнеше әдістер қолданылады. Бұл әдістер мәліметтер жиынтығын бағалауды қамтиды молекулалық сағат, демографиялық тарихы, халықтың құрылымы, гендер ағымы және таңдауды талдау.[4] Мәліметтер жиынтығының филодинамикалық нәтижелері болашақ эксперименттерде оқудың жақсы дизайнына әсер етуі мүмкін.

Мысалдар

Тырысқақтың филодинамикасы

Холера - бұл бактерия қоздыратын диареялық ауру Тырысқақ вибрионы. Тырысқақ кейін филодинамикалық талдау үшін танымал бактерия болды 2010 жылы Гаитиде тырысқақ ауруы пайда болды. Тырысқақ эпидемиясы дәл содан кейін болды 2010 жылы Гаитидегі жер сілкінісі, бұл инфекциялық инфрақұрылымға зиян келтірді, бұл эпидемия ықтималдығы салдарынан болуы мүмкін деген қорытындыға келді Тырысқақ жер сілкінісінен кейін Гаитидегі суға табиғи түрде енгізілген бактерия. Жер сілкінісінен кейін көп ұзамай БҰҰ жіберілді МИНУСТАХ Непалдан Гаитиге әскерлер. Осы жердің жан түршігерлік жағдайлары туралы сыбыстар тарала бастады МИНУСТАХ лагері, сондай-ақ деп мәлімдеген адамдар МИНУСТАХ әскерлер өз қалдықтарын кәдеге жаратуда Артибонит өзені, ол қоршаған ортадағы негізгі су көзі болып табылады. MINUSTAH әскерлері келгеннен кейін көп ұзамай алғашқы холера ауруы орналасқан жерге жақын жерде тіркелді МИНУСТАХ лагерь.[12] Филодинамикалық талдау Гаитидегі тырысқақ ауруының ошағын анықтау үшін қолданылды. Толық геномды тізбектеу Тырысқақ Гаитиде тырысқақ эпидемиясының бір нүктелік көзі болғанын және оның Оңтүстік Азияда таралатын O1 штамдарына ұқсас екенін анықтады.[12][13] Непалдан MINUSTAH әскерлері Гаитиге жіберілмес бұрын, Непалда тырысқақ эпидемиясы жақында пайда болды. Эпидемияның шығу тегі туралы алғашқы зерттеулерде Непал штамдары қол жетімді болмады.[12] Филодинамикалық талдаулар Гаити штаммына және Непал штамына қол жетімді болған кезде жүргізілді және гаити холерасы штамы Непалдың тырысқақ штамына ең ұқсас екенін растады.[14] Гаитидегі тырысқақ ауруының бұл эпидемиясы өзгерген немесе гибридті штамм белгілерін көрсетті Тырысқақ жоғары вируленттілікпен байланысты.[5] Әдетте бүкіл геномнан жоғары сапалы бір нуклеотидті полиморфизмдер (hqSNP) Тырысқақ реттіліктер филодинамикалық талдау үшін қолданылады.[5] Холераны зерттеу үшін филодинамикалық анализді қолдану болжау мен түсінуге көмектеседі Тырысқақ бактериялық эпидемия кезіндегі эволюция.[5]

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ Вольц, Эрик М .; Коель, Катия; Бедфорд, Тревор (2013-03-21). «Вирустық филодинамика». PLOS есептеу биологиясы. 9 (3): e1002947. Бибкод:2013PLSCB ... 9E2947V. дои:10.1371 / journal.pcbi.1002947. ISSN  1553-7358. PMC  3605911. PMID  23555203.
  2. ^ а б Гренфелл, Брайан Т .; Пибус, Оливер Дж.; Гог, Джулия Р .; Вуд, Джеймс Л.Н .; Дэйли, Джанет М .; Мумфорд, Дженни А .; Холмс, Эдуард С. (2004-01-16). «Қоздырғыштардың эпидемиологиялық және эволюциялық динамикасын унификациялау». Ғылым. 303 (5656): 327–332. Бибкод:2004Sci ... 303..327G. дои:10.1126 / ғылым.1090727. ISSN  1095-9203. PMID  14726583. S2CID  4017704.
  3. ^ а б Аяз, Саймон Д.В .; Пибус, Оливер Дж.; Гог, Джулия Р .; Вибуд, Сесиль; Бонхоэфер, Себастьян; Бедфорд, Тревор (2015). «Филодинамикалық қорытындыдағы сегіз қиындық». Эпидемия. 10: 88–92. дои:10.1016 / j.epidem.2014.09.001. PMC  4383806. PMID  25843391.
  4. ^ а б в г. e f ж сағ мен j к л м n o б q р Норстрем, Мелисса М .; Карлссон, Анника С .; Салеми, Марко (2012-04-01). «Вирустың молекулалық эволюциясы мен патогенезін байланыстыратын жаңа парадигмаға: эксперименттік дизайн және филодинамикалық қорытынды». Жаңа микробиология. 35 (2): 101–111. ISSN  1121-7138. PMID  22707126.
  5. ^ а б в г. Азариан, Тадж; Али, Афсар; Джонсон, Джудит А .; Мор, Дэвид; Проспери, Маттиа; Верас, Назле М .; Джубейр, Мұхаммед; Стрикленд, Саманта Л .; Рашид, Мұхаммед Х. (2014-12-31). «Гаитиден тырысқақ вибрио изоляттарының клиникалық және экологиялық филодинамикалық анализі позитивті таңдау негізінде әртараптандыруды ашады». mBio. 5 (6): e01824–14. дои:10.1128 / mBio.01824-14. ISSN  2150-7511. PMC  4278535. PMID  25538191.
  6. ^ Биек, Роман; Пибус, Оливер Дж.; Ллойд-Смит, Джеймс О .; Диделот, Ксавье (2015). «Геномдық дәуірдегі өлшеусіз дамып келе жатқан қоздырғыштар». Экология мен эволюция тенденциялары. 30 (6): 306–313. дои:10.1016 / j.tree.2015.03.009. PMC  4457702. PMID  25887947.
  7. ^ Эдгар, Роберт С. (2004-01-01). «MUSCLE: жоғары дәлдікпен және жоғары өнімділікпен бірнеше реттілікті туралау». Нуклеин қышқылдарын зерттеу. 32 (5): 1792–1797. дои:10.1093 / nar / gkh340. ISSN  1362-4962. PMC  390337. PMID  15034147.
  8. ^ Катох, Казутака; Мисава, Казухару; Кума, Кей-ичи; Мията, Такаши (2002-07-15). «MAFFT: жылдам Фурье түрлендіруі негізінде жылдамдықты бірнеше рет теңестірудің жаңа әдісі». Нуклеин қышқылдарын зерттеу. 30 (14): 3059–3066. дои:10.1093 / nar / gkf436. ISSN  0305-1048. PMC  135756. PMID  12136088.
  9. ^ Ларкин, М.А .; Блэкшилдс, Г .; Браун, Н.П .; Ченна, Р .; McGettigan, P. A .; МакВиллиам, Х .; Валентин, Ф .; Уоллес, М .; Уилм, А. (2007-11-01). «Clustal W және Clustal X 2.0 нұсқасы». Биоинформатика. 23 (21): 2947–2948. дои:10.1093 / биоинформатика / btm404. ISSN  1367-4811. PMID  17846036.
  10. ^ Нгуен, Лам-Тун; Шмидт, Хайко А .; фон Хеселер, Арндт; Минх, Буй Куанг (2015-01-01). «IQ-TREE: филогенезді бағалаудың жылдам және тиімді стохастикалық алгоритмі». Молекулалық биология және эволюция. 32 (1): 268–274. дои:10.1093 / molbev / msu300. ISSN  0737-4038. PMC  4271533. PMID  25371430.
  11. ^ Кумар, Судхир; Стечер, Глен; Тамура, Коичиро (2016-07-01). «MEGA7: Үлкен деректер жиынтығы үшін молекулалық эволюциялық генетиканы талдаудың 7.0 нұсқасы». Молекулалық биология және эволюция. 33 (7): 1870–1874. дои:10.1093 / molbev / msw054. ISSN  1537-1719. PMID  27004904.
  12. ^ а б в Пиару, Рено (2011). «Холера эпидемиясын түсіну, Гаити». Пайда болып жатқан инфекциялық аурулар. 17 (7): 1161–1168. дои:10.3201 / eid1707.110059. PMC  3381400. PMID  21762567.
  13. ^ Ората, Фабини Д .; Кейм, Пол С .; Баучер, Ян (2014-04-03). «2010 жылы Гаитидегі тырысқақ ауруы: ғылым қайшылықты қалай шешті». PLOS қоздырғыштары. 10 (4): e1003967. дои:10.1371 / journal.ppat.1003967. ISSN  1553-7374. PMC  3974815. PMID  24699938.
  14. ^ Катц Ли С .; Петкау, Аарон; Балеурье, Джон; Тайлер, Шон; Антонова, Елена С .; Турнсек, Мэрянн А .; Гуо, Ян; Ванг, Сусана; Пакинос, Эллен Э. (2013-08-30). «Холера Vibrio-ның эволюциялық динамикасы, Гаитиге бір көзді кіріспеден кейін». mBio. 4 (4): e00398-13. дои:10.1128 / mBio.00398-13. ISSN  2150-7511. PMC  3705451. PMID  23820394.