Biến thể tự nhiên trong bộ gen vi khuẩn phù sa biển SAR11 được suy luận từ dữ liệu siêu gen
Tóm tắt
Một trong những mục tiêu của siêu gen học là tái cấu trúc thông tin về các sinh vật không thể nuôi cấy cụ thể từ các trình tự DNA môi trường phân mảnh. Chúng tôi đã sử dụng bộ gen của một chủng vi khuẩn alpha-proteobacteria biển SAR11 ('
Độ đồng nhất trung bình của các axit amin của gen SAR11 được mã hóa bởi dữ liệu siêu gen với bộ gen truy vấn chỉ đạt 71%, điều này cho thấy sự phân kỳ tiến hóa đáng kể giữa các chủng ven biển và dân số ở Biển Sargasso. Tuy nhiên, một phân tích các láng giềng gen cho thấy gen SAR11 trong dữ liệu siêu gen của Biển Sargasso phù hợp với thứ tự gen của bộ gen HTCC1062 trong 96% trường hợp (> 85.000 quan sát), và rằng sự thay đổi thứ tự xảy ra thường xuyên nhất tại các ranh giới operon dự đoán. Không có ví dụ bảo tồn nào của các gen có chức năng đã biết được tìm thấy ở các chủng ven biển, nhưng không có trong dữ liệu siêu gen Biển Sargasso, hoặc ngược lại, điều này gợi ý rằng các vùng lõi của các bộ gen SAR11 đa dạng này tương đối bảo tồn về nội dung gen. Tuy nhiên, bốn vùng biến đổi cao đã được quan sát, có thể mã hóa các đặc tính liên quan đến sự biến đổi trong các kiểu hình SAR11. Vùng lớn nhất trong số này, HVR2, là một vùng 48 kb được bao quanh bởi các gen 5S và 23S duy nhất trong bộ gen HTCC1062, và chủ yếu mã hóa các gen xác định các đặc tính bề mặt tế bào. Một so sánh giữa hai bộ gen '
Từ khóa
#SAR11 #siêu gen học #vi khuẩn phù sa biển #phân tích gen #biến đổi gen.Tài liệu tham khảo
Welch RA, Burland V, Plunkett G 3rd, Redford P, Roesch P, Rasko D, Buckles EL, Liou SR, Boutin A, Hackett J, et al.: Extensive mosaic structure revealed by the complete genome sequence of uropathogenic Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci USA 2002, 99: 17020-17024. 10.1073/pnas.252529799
Thompson JR, Pacocha S, Pharino C, Klepac-Ceraj V, Hunt DE, Benoit J, Sarma-Rupavtarm R, Distel DL, Polz MF: Genotypic diversity within a natural coastal bacterioplankton population. Science 2005, 307: 1311-1313. 10.1126/science.1106028
Tettelin H, Masignani V, Cieslewicz MJ, Donati C, Medini D, Ward NL, Angiuoli SV, Crabtree J, Jones AL, Durkin AS, et al.: Genome analysis of multiple pathogenic isolates of Streptococcus agalactiae: implications for the microbial "pan-genome". Proc Natl Acad Sci USA 2005, 102: 13950-13955. 10.1073/pnas.0506758102
Konstantinidis KT, Tiedje JM: Genomic insights that advance the species definition for prokaryotes. Proc Natl Acad Sci USA 2005, 102: 2567-2572. 10.1073/pnas.0409727102
Tyson GW, Chapman J, Hugenholtz P, Allen EE, Ram RJ, Richardson PM, Solovyev VV, Rubin EM, Rokhsar DS, Banfield JF: Community structure and metabolism through reconstruction of microbial genomes from the environment. Nature 2004, 428: 37-43. 10.1038/nature02340
Steinberg DK, Carlson CA, Bates NR, Johnson RH, Michaels AF, Knap AH: Overview of the US JGOFS Bermuda Atlantic Time-series Study (BATS): a decade-scale look at ocean biology and biochemistry. Deep-Sea Research II 2001, 48: 1405-1447. 10.1016/S0967-0645(00)00148-X
Venter JC, Remington K, Heidelberg JF, Halpern AL, Rusch D, Eisen JA, Wu D, Paulsen I, Nelson KE, Nelson W, et al.: Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea. Science 2004, 304: 66-74. 10.1126/science.1093857
Dufresne A, Garczarek L, Partensky F: Accelerated evolution associated with genome reduction in a free-living prokaryote. Genome Biology 2005, 6: R14. 10.1186/gb-2005-6-2-r14
Giovannoni SJ, Tripp HJ, Givan S, Podar M, Vergin K, Batista D, Bibbs L, Eads J, Richardson TH, Noordewier M, et al.: Genome streamlining in a cosmopolitan oceanic bacterium. Science 2005, 309: 1242-1245. 10.1126/science.1114057
Rappé MS, Giovannoni SJ: The uncultured microbial majority. Annual Reviews Microbiology 2003, 57: 369-394. 10.1146/annurev.micro.57.030502.090759
Morris RM, Cho JC, Rappe MS, Vergin KL, Carlson CA, Giovannoni SJ: Temporal and spatial response of bacterioplankton lineages to annual convective overturn at the Bermuda Atlantic Time-series Study site. Limnol Oceanography 2005, 50: 1687-1696.
Giovannoni SJ, Stingl U: Molecular Diversity and Ecology of Microbial Plankton. Nature Insight 2005, 437: 343-348.
Rusch DB, Halpern AL, Sutton G, Heidelberg KB, Williamson S, Yooseph S, Wu D, Eisen JA, Hoffman JM, Remington K, et al.: The Sorcerer II Global Ocean Sampling Expedition: Northwest Atlantic through Eastern Tropical Pacific. PLoS Biol 2007, 5: e77. 10.1371/journal.pbio.0050077
Rappé MS, Connon SA, Vergin KL, Giovannoni SJ: Cultivation of the ubiquitous SAR11 marine bacterioplankton clade. Nature 2002, 418: 630-633. 10.1038/nature00917
Smith RL, Huyer A, Fleischbein J: The coastal ocean off Oregon from 1961 to 2000: is there evidence of climate change or only of Los Niños? Progress in Oceanography 2001, 53: 369-387.
Brown MV, Schwalbach MS, Hewson I, Fuhrman JA: Coupling 16S-ITS rDNA clone libraries and automated ribosomal intergenic spacer analysis to show marine microbial diversity: development and application to a time series. Environ Microbiol 2005, 7: 1466-1479. 10.1111/j.1462-2920.2005.00835.x
Hallam SJ, Konstantinidis KT, Putnam N, Schleper C, Watanabe Y, Sugahara J, Preston C, de la Torre J, Richardson PM, DeLong EF: Genomic analysis of the uncultivated marine crenarchaeote Cenarchaeum symbiosum. Proc Natl Acad Sci USA 2006, 103: 18296-18301. 10.1073/pnas.0608549103
Rasko DA, Myers GS, Ravel J: Visualization of comparative genomic analyses by BLAST score ratio. BMC Bioinformatics 2005, 6: 2. 10.1186/1471-2105-6-2
Coleman ML, Sullivan MB, Martiny AC, Steglich C, Barry K, Delong EF, Chisholm SW: Genomic islands and the ecology and evolution of Prochlorococcus. Science 2006, 311: 1768-1770. 10.1126/science.1122050
DeLong EF: Microbial community genomics in the ocean. Nat Rev Microbiol 2005, 3: 459-469. 10.1038/nrmicro1158
Price MN, Huang KH, Alm EJ, Arkin AP: A novel method for accurate operon predictions in all sequenced prokaryotes. Nucleic Acids Res 2005, 33: 880-892. 10.1093/nar/gki232
Béjà O, Aravind L, Koonin EV, Suzuki M, Hadd A, Nguyen LP, Jovanovich SB, Gates CM, Feldman RA, Spudich JL, et al.: Bacterial rhodopsin: evidence for a new type of phototrophy in the sea. Science 2000, 289: 1902-1906. 10.1126/science.289.5486.1902
Giovannoni SJ, Bibbs L, Cho JC, Stapels MD, Desiderio R, Vergin KL, Rappe MS, Laney S, Wilhelm LJ, Tripp HJ, et al.: Proteorhodopsin in the ubiquitous marine bacterium SAR11. Nature 2005, 438: 82-85. 10.1038/nature04032
Dobrindt U, Hochhut B, Hentschel U, Hacker J: Genomic islands in pathogenic and environmental microorganisms. Nat Rev Microbiol 2004, 2: 414-424. 10.1038/nrmicro884
Hacker J, Carniel E: Ecological fitness, genomic islands and bacterial pathogenicity. A Darwinian view of the evolution of microbes. EMBO Rep 2001, 2: 376-381.
Rocap G, Larimer FW, Lamerdin J, Malfatti S, Chain P, Ahlgren NA, Arellano A, Coleman M, Hauser L, Hess WR, et al.: Genome divergence in two Prochlorococcus ecotypes reflects oceanic niche differentiation. Nature 2003, 424: 1042-1047. 10.1038/nature01947
Berg OG, Kurland CG: Evolution of microbial genomes: sequence acquisition and loss. Mol Biol Evol 2002, 19: 2265-2276.
Lerat E, Daubin V, Ochman H, Moran NA: Evolutionary origins of genomic repertoires in bacteria. PLoS Biol 2005, 3: e130. 10.1371/journal.pbio.0030130
Nilsson AI, Koskiniemi S, Eriksson S, Kugelberg E, Hinton JC, Andersson DI: Bacterial genome size reduction by experimental evolution. Proc Natl Acad Sci USA 2005, 102: 12112-12116. 10.1073/pnas.0503654102
Rozen DE, Schneider D, Lenski RE: Long-term experimental evolution in Escherichia coli. XIII. Phylogenetic history of a balanced polymorphism. J Mol Evol 2005, 61: 171-180. 10.1007/s00239-004-0322-2
Cohan FM: What are bacterial species? Annu Rev Microbiol 2002, 56: 457-487. 10.1146/annurev.micro.56.012302.160634
Tamames J: Evolution of gene order conservation in prokaryotes. Genome Biol 2001, 2: 11. 10.1186/gb-2001-2-6-research0020
Wolf YI, Rogozin IB, Kondrashov AS, Koonin EV: Genome alignment, evolution of prokaryotic genome organization, and prediction of gene function using genomic context. Genome Res 2001, 11: 356-372. 10.1101/gr.GR-1619R
Huynen MA, Bork P: Measuring genome evolution. Proc Natl Acad Sci USA 1998, 95: 5849-5856. 10.1073/pnas.95.11.5849
Linton D, Karlyshev AV, Wren BW: Deciphering Campylobacter jejuni cell surface interactions from the genome sequence. Curr Opin Microbiol 2001, 4: 35-40. 10.1016/S1369-5274(00)00161-2
Proctor LM, Fuhrman JA: Viral mortality of marine bacteria and cyanobacteria. Nature 1990, 343: 60-62. 350 10.1038/343060a0
Vergin KL, Tripp HJ, Wilhelm LJ, Denver DR, Rappe MS, Giovannoni SJ: High Intraspecific Recombination Rate in a Native Population of Candidatus Pelagibacter ubique (SAR11). Environmental Microbiology 2007. Online Early: doi: 10.1111/j.1462-2920.2007.01361.x
Bashford D, Chothia C, Lesk AM: Determinants of a protein fold. Unique features of the globin amino acid sequences. J Mol Biol 1987, 196: 199-216. 10.1016/0022-2836(87)90521-3
Thompson JD, Higgins DG, Gibson TJ: CLUSTAL W: improving the sensitivity of progressive multiple sequence alignment through sequence weighting, position-specific gap penalties and weight matrix choice. Nucleic Acids Res 1994, 22: 4673-4680. 10.1093/nar/22.22.4673
Stamatakis A: RAxML-VI-HPC: maximum likelihood-based phylogenetic analyses with thousands of taxa and mixed models. Bioinformatics 2006, 22: 2688-2690. 10.1093/bioinformatics/btl446
Altschul SF, Madden TL, Schaffer AA, Zhang J, Zhang Z, Miller W, Lipman DJ: Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programs. Nucleic Acids Res 1997, 25: 3389-3402. 10.1093/nar/25.17.3389
Rocap G, Distel DL, Waterbury JB, Chisholm SW: Resolution of Prochlorococcus and Synechococcus ecotypes by using 16S-23S ribosomal DNA internal transcribed spacer sequences. Appl Environ Microbiol 2002, 68: 1180-1191. 10.1128/AEM.68.3.1180-1191.2002
Holmes AJ, Gillings MR, Nield BS, Mabbutt BC, Nevalainen KM, Stokes HW: The gene cassette metagenome is a basic resource for bacterial genome evolution. Environ Microbiol 2003, 5: 383-394. 10.1046/j.1462-2920.2003.00429.x
Reiter WD, Palm P, Yeats S: Transfer RNA genes frequently serve as integration sites for prokaryotic genetic elements. Nucleic Acids Res 1989, 17: 1907-1914. 10.1093/nar/17.5.1907
Daubin V, Ochman H: Bacterial genomes as new gene homes: the genealogy of ORFans in E. coli. Genome Res 2004, 14: 1036-1042. 10.1101/gr.2231904
Pride DT: A tool for analyzing substitutions and similarity in multiple alignments. Distributed by the author 2005.
Rozas J, Sanchez-DelBarrio JC, Messeguer X, Rozas R: DnaSP, DNA polymorphism analyses by the coalescent and other methods. Bioinformatics 2003, 19: 2496-2497. 10.1093/bioinformatics/btg359
Marchler-Bauer A, Anderson JB, Cherukuri PF, DeWeese-Scott C, Geer LY, Gwadz M, He S, Hurwitz DI, Jackson JD, Ke Z, et al.: CDD: a Conserved Domain Database for protein classification. Nucleic Acids Res 2005, (33 Database):D192-196.
Oregon State University Giovanonni laboratory[http://www.mcb.oregonstate.edu/giovannoni/]