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研究发现生命之树微生物域之间的紧密进化邻近性

由加州大学圣地亚哥分校的研究人员领导的一项跨国研究对10,575个基因组进行了全面分析,发现 生命树底部的微生物域之间的进化接近性接近,查尔斯·达尔文(Charles Darwin)所描述的进化分支模式比160年前,在他的《物种起源》一书中 。

研究发现生命之树微生物域之间的紧密进化邻近性

目前公认的生命之树由细菌和古生菌的两个微生物域组成,以及较高等生物的第三个域,真核生物,其细胞具有细胞核以包裹其DNA,并且可能是从古细菌演化而来的。

这项发表在《自然通讯》上的研究发现,古细菌和细菌之间的进化距离比以前的大多数研究都更紧密。加州大学圣地亚哥分校医学院系博士后朱其云说,这一新结果来自使用一组全面的381个标记基因与数十种核心基因(例如以前的研究中通常使用的核糖体蛋白)的比较。儿科和该论文的主要作者。

“与以往的大多数工作一样,我们的工作表明遗传信息的采样不足或不均匀,导致对生命树的看法有偏见,因此限制了我们建立进化关系的能力,”朱说。

研究人员还产生了经过时间校准的树木,并假设了一个通用的分子钟,并且蓝细菌和黑素细菌之间的分裂发生在大约25亿年前,当时大气层被充氧。这些树木的根基意味着生命起源发生在大约40亿年前,当时考虑了381个标记基因,而大约70亿年前,则考虑了30种核糖体蛋白。研究人员说,后者时间不可信,因为它比地球年龄大,这进一步支持了研究中采用的基因的选择。

这项研究的资深作者,圣地亚哥大学UC微生物学创新中心创始主任,儿科学与计算机科学与工程教授罗布·奈特(Rob Knight)说,从儿科的角度看,它的意义在于,许多成年后患上的疾病都有它们根植于儿童时期的人类微生物组。

奈特说:“在过去15年中,我们从人类微生物组中收集DNA序列的能力得到了极大的提高,但我们解释数据的能力依赖于高度不完整的参考数据库。” “提高我们对微生物之间进化关系的理解的精确度,使我们能够更好地理解这些变化的发生方式,以及如何针对这些变化来改善儿童时期的微生物组,从而不仅解决基于微生物组的早期疾病,而且改善健康状况在一个人的一生中。”

朱进一步指出:“我们希望以统计上均等的方式选择具有10,575个基因组的树将是宝贵的资源。我们已经在参考数据库中公开提供了我们的结果,并开发了计算工具来对其进行研究。在Knight实验室目前正在进行的多个微生物组研究中,我们已经见证了使用该资源的显着进步。”

可扩展算法和强大的超级计算机

可扩展算法和功能强大的超级计算机的可用性对于进行这项研究至关重要。

两种方法都给出了相似的树,但是汇总方法具有固有的可扩展性并可以使用所有基因组数据,因此可以更好地解决主要微生物谱系之间的基础关系,而级联方法要求子采样在计算上是可行的。为了便于分析研究中的大量数据,Mirarab实验室的博士学位学生,论文的第一作者Uyen Mai开发了新的方法来扩展汇总方法。

大多数计算是 在加州大学圣地亚哥分校的圣地亚哥超级计算机中心(SDSC)的彗星超级计算机上完成的 。SDSC的杰出科学家Wayne Pfeiffer在Comet的标准计算节点上进行了2,000多次运行, 以生成基因树,而Mai则在彗星的GPU节点上使用ASTRAL组合了这些树 。

朱总结说:“我们在三个方面推进了最新的系统发育研究:微生物生命形式的更大,更均匀的表示,全基因组信息的更全面使用以及改进的方法,用于精确解决进化关系。SDSC的超级计算能力使这成为可能。”

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