Сравнительная геномика...
TRANSCRIPT
![Page 1: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/1.jpg)
Сравнительная геномика штаммов Bifidobacterium longum, выделенных из
кишечника человека
Чаплин А. В.
Научные руководители:д. м. н., профессор Ефимов. Б. А.
к. м. н. Смеянов В. В.
Москва, 2013 г.
Российский Национальный Исследовательский Медицинский Университет им. Н.И. Пирогова
Кафедра микробиологии и вирусологии
![Page 2: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/2.jpg)
Изменчивость бактериального генома
• Основные движущие силы изменения генома бактерий:
– Изменение существующих генов с помощью мутаций.
– Появление генов с помощью дупликации с дивергенцией.
– Потеря генов из-за делеций или превращения в псевдогены.
– Горизонтальный перенос генов между бактериями.
• Горизонтальный перенос генов может происходить между сколь угодно далекими организмами, однако с наибольшей частотой он протекает внутри вида.
• Он может приводить как к изменению последовательностей имеющихся генов, так и к приобретению новых.
![Page 3: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/3.jpg)
Пути горизонтального переноса генов
Трансформация Трансдукция Агенты переноса генов
Конъюгация Мембранные нанотрубки
Мембранные везикулы
Частота горизонтального переноса генов среди
разных бактерий варьирует более чем в 1000 раз.
![Page 4: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/4.jpg)
Bifidobacterium longum
• Представители рода Bifidobacterium – грам-положительные облигатно анаэробные неподвижные палочки.
• Составляют основную часть кишечной микрофлоры детей и около 3-6% микрофлоры взрослых.
• Специализируются на сбраживании широкого спектра олигосахаридов растительного и животного происхождения.
• Вид Bifidobacterium longum широко распространен среди людей:
– Подвид infantis встречается только у грудных детей.
– Подвид longum обнаруживается во всех возрастах.
Данные бактерии широко используются в составе пробиотиков.
![Page 5: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/5.jpg)
Секвенирование геномных последовательностей
• В данном исследовании была просеквенирована de novo геномная ДНК 7 штаммов Bifidobacterium longum, выделенных от двух здоровых детей.
Название штамма Платформа Число контигов Источник выделения1-5B Illumina HiSeq 29 Обследуемая А, возраст 1 год1-6B 454 FLX 171 Обследуемая А, возраст 1 год44B Illumina HiSeq 54 Обследуемая А, возраст 6 лет
17-1B Illumina HiSeq 24 Обследуемая А, возраст 11 лет2-2B 454 FLX 141 Обследуемая Б, возраст 1 год35B 454 FLX 131 Обследуемая Б, возраст 6 лет7-1B Illumina HiSeq 40 Обследуемая Б, возраст 11 лет
![Page 6: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/6.jpg)
Геномика Bifidobacterium longum
Название штамма Число контиговDJO10A 1
NCC2705 1157F 1
ATCC 15697 1BBMN68 1
JCM 1217T 1JDM301 1
KACC 91563 1F8 scaffold
CCUG 52486 22AGR2137 49
12_1_47_BFAA 61ATCC 55813 114
Другие геномные последовательности, использованные для анализа
2.2000000000000002 2.4 2.6 2.80
5
10
Размер генома, Mb
Коли
чест
во ге
ном
ов
59.559.7
59.960.1
60.301234567
Доля GC-пар, %
Коли
чест
во ге
ном
ов
![Page 7: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/7.jpg)
Методы анализа
• Все геномные последовательности аннотировались с помощью системы RAST.
• Полногеномное выравнивание выполнялось в Mauve 2.2.1.
• Филогенетический анализ проводился в программе ClonalFrame 1.1 со 100 000 итерациями MCMC.
• Гомологичные гены из разных штаммов были кластеризованы в группы генов с использованием OrthoMCL 2.0.5.
• Функциональная аннотация генов проводилась по базе данных COG.
• Филогенетический анализ, основанный на присутствии или отсутствии умеренно распространенных генов проводился по алгоритму “Wagner parsimony” с использованием пакета PHYLIP 3.69.
![Page 8: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/8.jpg)
Полногеномное выравнивание
ATCC 15697
JDM301
157F
BBMN68
DJO10A
JCM 1217T
KACC 91563
NCC2705
![Page 9: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/9.jpg)
Набор генов «домашнего хозяйства»
• Для построения филогенетического дерева с учётом горизонтального переноса генов был использован набор из 45 генов «домашнего хозяйства», удаленных друг от друга не менее чем на 10 kb.
B. longumsubsp. longum
JCM 1217T
![Page 10: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/10.jpg)
Филогенетическое дерево
B. longumsubsp. longum
B. longumsubsp. infantis
JDM301AGR2137
ATCC 15697
NCC2705KACC 91563
CCUG 52486
DJO10A12_1_47BFAA
ATCC 55813
BBMN68F8
157F
7-1B2-2B
1-6B44B
35B
1-5BJCM1217T
17-1B
![Page 11: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/11.jpg)
Изменения генов горизонтальным переносом
Параметр Значение95% доверительный
интервал
0,090 0,071 – 0,114
1,06 0,83 – 1,310
Частота горизонтальных переносов
Частота точковых мутаций
Вероятность, что отдельный нуклеотид будет изменен горизонтальным переносом
Вероятность точковой мутации
• Вклад горизонтального переноса генов в изменчивость последовательности генов «домашнего хозяйства» сравним со вкладом точковых мутаций.
• Нет значимых барьеров между подвидами longum и infantis.
ρ
θ
r
m
![Page 12: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/12.jpg)
Сравнение с другими бактериальными видами
Leptospira interrogans Bifidoabcterium longum Streptococcus pneumoniae0,01
0,1
1
10
100
r
m
![Page 13: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/13.jpg)
Консервативнаячасть генома
Концепция распределенного генома
Геном отдельного
штамма
Пан-геном(совокупность всех генов
бактериального вида).
Часто он значительнобольше отдельного
генома.
![Page 14: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/14.jpg)
Распределенный геном Bifidobacterium longum
Пан-геном Консервативная часть генома
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Число штаммов
Числ
о гр
упп
гено
в
![Page 15: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/15.jpg)
Математическая характеристика пан-генома
0 5 10 15 20 250
1000
2000
3000
4000
5000
f(x) = 2001,75 x^0,28R² = 1
Число штаммов
Числ
о гр
упп
гено
в
1 10 1001024
10240
f(x) = 2001,75 x^0,28R² = 1
Число штаммов
Числ
о гр
упп
гено
в
0 5 10 15 20 250
100
200
300
400
f(x) = 429,15 x^-0,6R² = 0,99
Число штаммов
Прир
ост г
рупп
гено
в
1 10 10032
320
3200
f(x) = 429,15 x^-0,6R² = 0,99
Число штаммов
При
рост
груп
п ге
нов
![Page 16: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/16.jpg)
-1.2
-1.075
0000
00000
0004
-0.95
0000
0000
0000
062
-0.825
0000
0000
0000
62
-0.700
0000
0000
0000
62
-0.575
000000
00000
062
-0.45
0000
0000
0000
018
-0.325
0000
0000
0000
340
50
100
150
Коэффициент степенной функции прироста числа групп генов
Числ
о ре
зуль
тато
в пр
и пр
оцед
уре
Jack
nife
Закрытыйпан-геном
Открытыйпан-геном
Математическая характеристика пан-генома
0 5 10 15 20 250
100
200
300
400
f(x) = 429,15 x^-0,6R² = 0,99
Число штаммов
Прир
ост г
рупп
гено
в
1 10 10032
320
3200
f(x) = 429,15 x^-0,6R² = 0,99
Число штаммов
При
рост
груп
п ге
нов
![Page 17: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/17.jpg)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Количество штаммов, в которых присутствуют данные группы генов
Коли
чест
во гр
упп
гено
в
Редко встречающиеся гены Консервативные гены
Умеренно распространенные гены
Метаболизм аминокислот
Метаболизм нуклеотидов
Трансляция
Посттрансляционная модификация, фолдинг
Метаболизм углеводов
Транскрипция
Репликациярекомбинация и
репарация
Защитные механизмы
![Page 18: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/18.jpg)
Распределение умеренно распространенных генов
![Page 19: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/19.jpg)
Выводы
• Горизонтальный перенос генов играет значительную роль в формировании геномного разнообразия Bifidobacterium longum.
• Влияние горизонтального переноса генов на последовательность генов «домашнего хозяйства» сопоставимо с влиянием точковых мутаций.
• Пан-геном Bifidobacterium longum является открытым, его состав отражает специализацию на сбраживании широкого спектра углеводов.
• Показана возможность долговременной персистенции представителей узкой внутривидовой группы штаммов Bifidobacterium longum в микрофлоре кишечника человека.
![Page 20: Сравнительная геномика штаммовbioinformaticsinstitute.ru/sites/default/files/chaplin_3.pdfМедицинский Университет им. Н.И. Пирогова](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062920/5f02db7a7e708231d4065ad6/html5/thumbnails/20.jpg)
Спасибо за внимание!