Реконструкция эволюционной истории геномных перестроек в бактериях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.09, кандидат наук Бочкарёва Ольга Олеговна

• Бочкарёва Ольга Олеговна
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Бочкарёва Ольга Олеговна

Словарь терминов

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Методы изучения геномных перестроек

1.2. Эволюция бактериальных геномов

1.3. Организмы, использованные в работе

Глава 2. Материалы и методы

2.1. Данные

2.2. Построение и аннотация ортологических рядов

2.3. Восстановление филогении по конкатенату выравниваний ортологов

2.4. Построение синтенных блоков

2.5. Восстановление филогении по данным о расположении генов в геномах

2.6. Реконструкция геномных перестроек

2.7. Определение точек начала и конца репликации

2.8. Тестирование статистических гипотез

Глава 3. Восстановление филогении на основе расположения синтенных блоков

3.1. Yersinia pestis

3.2. Обсуждение результатов

Глава 4. Реконструкция истории перестроек в различных бактериальных видах

4.1. Streptococcus spp

4.2. Burkholderia spp

4.3. B. mallei

4.4. B. pseudomallei

4.5. B. thailandensis

4.6. B.cepacia

4.7. Обсуждение результатов

Глава 5. Анализ потоков генов

5.1. Описание модели

5.2. Escherichia coli и Salmonella enterica

5.3. Streptococcus spp

5.4. Chlamydia spp

5.5. Обсуждение результатов

Выводы

Список литературы

Приложение А. Штаммы, использованные в работе

Словарь терминов

Гомологичная рекомбинация (homologous recombination) — тип генетической рекомбинации, во время которой происходит обмен нуклеотидными последовательностями между двумя похожими или идентичными хромосомами.

Горизонтальный перенос генов (horizontal gene transfer, HGT) — процесс, в котором организм передаёт генетический материал организму-непотомку.

Интегративные конъюгативные элементы (integrative conjugative elements, ICEs) — группа мобильных генетических элементов, сохраняющих способность к вырезанию из хромосомы и конъюгативному переносу.

Коньюгация (conjugation) — процесс переноса ДНК с помощью плазмид при контакте двух бактериальных клеток.

Коргеном (core-genome) — совокупность генов, присутствующих во всех организмов изучаемой группы.

Мобильные элементы (mobile genetic elements, MGEs) — последовательности ДНК, которые могут перемещаться внутри генома. Выделяют несколько классов мобильных элементов генома, отличающихся по строению и способу перемещения.

Ортологический ряд (orthologous group) — гомологичные гены филогенетически родственных организмов, разошедшиеся в процессе видообразования.

Пангеном (pan-genome) — совокупность всех генов рассматриваемой группы организмов.

Периферийные (dispensable или periphery) гены — гены, найденные только в части штаммов вида/изучаемой выборке штаммов.

Реплихора (replichore) — сегмент кольцевой хромосомы от точки начала до точки конца репликации.

Синтенный блок (synteny block) — участок ДНК, порядок генов в котором сохраняется во всех организмах изучаемой выборки.

Система RND (от англ. «resistance-nodulation-division») — комплекс бел-

ков, обеспечивающих отторжение антибиотиков, химиотерапевтических препаратов и катионов тяжелых металлов.

Точка разрыва (breakpoint) — точка, в которой порядок генов нарушается; граница между синтенными блоками.

Трансдукция (transduction) — процесс, при котором ДНК одной бактерии переносится в геном другой бактерии засчет встраивания фага.

Трансформация (transformation) — процесс поглощения клеткой свободной молекулы ДНК и встаивания ее в свой геном.

Универсальные (universal) гены — гены, найденные в геномах всех штаммов вида/изучаемой выборке штаммов.

Уникальные (unique) гены — гены, найденные только в одном штамме.

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Реконструкция эволюционной истории геномных перестроек в бактериях»

Актуальность работы

Расшифровка большого количества прокариотических геномов позволила проводить сравнения геномов близких видов и штаммов бактерий. Такой анализ необходим для уточнения видовой классификации бактерий, понимания механизмов вирулентности патогенов, описания эволюции устойчивости к антибиотикам, понимания метаболических различий между штаммами. Кроме того, восстановление истории эволюционных отношений близких геномов позволяет выявлять механизмы отбора и видообразования.

Большая часть исследований молекулярной эволюции бактерий сконцентрирована на анализе мутаций в белок-кодирующих областях или изменении генного состава. Однако в ходе эволюции структура самой хромосомы существенно меняется за счет внутригеномной рекомбинации. Как следствие, возникают геномные перестройки, такие как крупные делеции, инверсии, транслокации и дупликации.

Геномные перестройки играют большую роль в эволюции бактерий, поскольку могут разрушать существующие гены и опероны, создавать новые гены, менять расстояние от гена до точки начала репликации и тем самым менять уровень его экспрессии, менять цепь (лидирующую или запаздывающую), на которой находится ген, что также влияет на экспрессию.

Геномные перестройки способствуют быстрой эволюции патогенных бактерий, в том числе позволяя им быстро приобретать устойчивость к антибиотикам. В частности, именно геномные перестройки сыграли ключевую роль в видообразовании и патогенизации Yersinia pestis (возбудителя чумы). В видообразовании внутриклеточных патогенов, таких как Burkholderia mallei, уменьшение размера генома благодаря крупным делециям дает существенное эволюционное преимущество.

Хотя на момент начала работы над диссертацией было выявлено и описано большое количество перестроек на основе парных сравнений штаммов, общий

ландшафт геномных перестроек оставался слабо изученным. Для понимания динамики бактериальной эволюции необходимо изучать геномные перестройки в контексте бактериальной эволюции, что стало возможным благодаря накоплению достаточного количества бактериальных данных и разработке соответствующих математических моделей и алгоритмов.

Более того, восстановление филогенетических отношений для близких штаммов бактерий часто остается трудновыполнимой задачей, поскольку традиционные методы филогении строятся на выравнивании последовательностей отдельных генов с последующим объединением полученных выравниваний. Такие методы, с одной стороны, чувствительны к действию гомологичной рекомбинации, а с другой - имеют малую разрешающую способность на малых филогенетических расстояниях (штаммы одного вида) и могут давать недостоверные результаты. Информация об изменении порядка генов на хромосомах может быть использована для верификации топологии, полученной в рамках традиционной модели, и уточнения узлов с низким уровнем бутстреп-поддержки.

Таким образом, анализ геномных перестроек в эволюции бактерий из разных экологических ниш, выполненный в данной работе, позволил описать эволюционные процессы в геномах и выявить основные закономерности в действии эволюционного отбора на разные типы событий.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью работы были реконструкция и анализ эволюционной истории геномных перестроек для нескольких бактериальных родов и видов и выявление действия эволюционного отбора на разные типы событий. В работе были решены следующие задачи.

1. Изучить существующие алгоритмы для работы с порядком генов в бактериальных геномах и разработать общую методику восстановления и анализа эволюционной истории перестроек.

2. Реконструировать и описать эволюционную историю геномных перестроек в нескольких родах и видах бактерий с большим числом отсеквенированных полностью собранных геномов (Yersinia pestis, Burkholderia spp., Streptococcus spp., Chlamydia spp.).

3. Реконструировать филогенетические деревья на основе расположения син-тенных блоков и сравнить результаты реконструкции с филогенетическими деревьями, полученными традиционными методами; предложить гипотезы, объясняющие выявленные противоречия.

4. На основе паттернов перестроек выявить действие эволюционного отбора на разные типы событий.

5. Выявить перестройки, произошедшие независимо на разных ветках эволюционных деревьев штаммов, и описать их геномный контекст, поскольку такие события могут повышать приспособленность вида и потому поддерживаться эволюционным отбором.

6. Разработать методику оценки потока генов, горизонтально переносящихся в популяцию, по данным о взаимной расположении генов на хромосомах и протестировать ее на нескольких бактериальных видах.

Научная новизна. В диссертационной работе описан интегральный анализ геномных перестроек в контексте эволюционной истории с использованием различных подходов и инструментов. Разработанные методики протестированы на геномах представителей нескольких бактериальных родов из различных сред обитания.

Показано, что филогенетическая реконструкция на основе расположения генов позволяет уточнить филогению молодых патогенов с высокой частотой внут-ригеномной рекомбинации. Впервые показано действие отбора на сохранение положения гена относительно лидирующей/запаздывающей цепи при транслокациях между хромосомами в мультихромосомных бактериях. Описаны новые случаи

фазовой вариации и распространения геномных островков в патогенах человека Streptococcus pneumoniae и Burkholderia pseudomallei.

Разработана методика оценки потока генов, распространяющихся в популяции путем горизонтальных переносов, на основе анализа порядка генов в геномах. Методика протестирована на двух бактериальных видах из разных экологических ниш.

Практическая ценность. Работа имеет преимущественно теоретический характер, однако полученные знания могут быть использованы в генной инженерии и медицине. Тщательное изучение всех механизмов геномной эволюции и факторов, влияющих на пластичность бактериальных геномов, позволит улучшить методики получения промышленных штаммов.

Факторы вирулентности патогенов, такие как избегание иммунной системы и выживание в организме хозяина, также определяются архитектурой бактериальных геномов. Обнаруженние новых случаев переноса геномных островков и антигенной вариации за счет инверсий необходимо для успешной разработки лекарств и вакцин в силу все новых адаптационных изменений патогенных бактерий. Положения, выносимые на защиту:

1. Для штаммов с высокой частотой внутригеномной рекомбинации продемонстрировано, что интегральный анализ филогенетических деревьев, построенных на основе выравнивания последовательностей общих генов и на основе расположения синтенных блоков на хромосомах, позволяет уточнить эволюционную историю изучаемых организмов.

2. Анализ эволюционной истории перестроек в контексте филогении позволил выявить новые геномные островки в штаммах мульти-хромосомных бактерий Burkholderia и новые случаи антигенной вариации за счет инверсий в патогенах человека Streptococcus pneumoniae и Burkholderia pseudomallei. Предложенная в диссертации методика биоинформатического поиска генов-кандидатов позволяет быстро протестировать большое количество ге-

номов и выявить случаи, требующие дальнейшего экспериментального подтверждения.

3. Показано, что инверсии, лежащие внутри одной реплихоры, значимо короче инверсий, концы которых лежат на разных реплихорах, а также такие инверсии встречаются реже, чем это ожидается из случайной модели. Выявлен отбор на сохранение положения генов в транслоцированных сегментах относительно лидирующей / запаздывающей цепи при межхромосомных транслокациях.

4. Разработана методика оценки потока генов, распространяющихся в популяции путем горизонтальных переносов, построенная на сравнении двух характеристик: согласованности топологии дерева гена с деревом видов и положении гена в геномах относительно стабильных локусов. Методика протестирована на двух родах бактерий с различной геномной архитектурой: Streptococcus spp. и Chlamydia spp.

Степень достоверности и апробация результатов. Результаты диссертации докладывались на российских и международных конференциях:

устные доклады на "Хромосома" (20 - 24 августа 2018, Новосибирск), "Bio-informatics: from Algorithms to Applications" (BiATA) (16 - 19 июля 2018, Санкт-Петербург), 23th European Meeting of PhD Students in Evolutionary Biology (EMPSEB) (10-15 сентября 2017, Краков, Польша), 21ой Международной пущинской школе-конференции молодых ученых "Биология наука 21 века" (17-21 апреля 2017, Пу-щино), III Пущинской школе-конференции "Биохимия, физиология и биосферная роль микроорганизмов" (5-9 декабря 2016, Пущино);

постерные доклады на "Bioinformatics of Genome Regulation and Structure / Systems Biology" BGRS SB (20 - 25 августа 2018, Новосибирск), 8th Moscow Conference of Computational Molecular Biology (MCCMB) (27 - 30 июля 2017, Москва), Информационные технологии и системы (ИТиС) (6-11 сентября 2015, Сочи), 7th Moscow Conference on Computational Molecular Biology (MCCMB) (16 - 19

июля 2015, Москва), 6th Moscow Conference on Computational Molecular Biology (MCCMB) (25 - 28 июля 2013, Москва).

Список публикаций по теме диссертации. По материалам диссертации опубликованы статьи в рецензируемых научных журналах:

1. Genome rearrangements and phylogeny reconstruction in Yersinia pestis / O. Bochkareva, N. Dranenko, E. Ocheredko, G. Kanevsky, Y. Lozinsky, V. Khalaycheva, I. Artamonova, M. Gelfand // PeerJ. 2018. Т. 6. e4545

2. Genome rearrangements and selection in multi-chromosome bacteria Burkholderia spp. / O. Bochkareva, E. Moroz, I. Davydov, M. Gelfand // BMC Genomics. 2018. Т. 19, № 1.С. 965

Публикации в сборниках конференций и препринты:

1. Bochkareva O.O., Shelyakin P.V., Gelfand M.S. Evolution of bacterial chromosomes. Материалы международной конференции "Chromosome'18" // Издательство Новосибирского национального исследовательского государственного университета (Новосибирск). 2018. С. 10-11

2. Bochkareva O.O., Gelfand M.S. Genome rearrangements in bacterial genomes // Труды международной конференции "Bioinformatics of Genome Regulation and Structure/Systems Biology (BGRS SB'18)", Новосибирск. 2018. С. 30

3. Bochkareva O.O., Shelyakin P.V., Gelfand M.S. Genome rearrangements in bacteria. // Proceedings of the conference "Bioinformatics: from Algorithms to Applications" (BiATA), Санкт-Петербург. 2018. С. 69.

4. Bochkareva O.O., Moroz E.V., Davydov I.I. Evolution of Burkholderia spp. // Proceedings of the 8th Moscow inference of Сomputational Molecular Biology (MCCMB), Москва. 2017. Постер 119.

5. Bochkareva O.O., Moroz E.V., Davydov I.I. Evolution of Burkholderia spp. // Proceedings of the 23th European Meeting of PhD Students in Evolutionary Biology (EMPSEB), Краков. 2017.

6. Бочкарева О.О., Мороз Е.В. Эволюция геномов Burkholderia spp. // Труды 21ой Международной пущинской школы-конференции молодых ученых "Биология наука 21 века", Пущино. 2017. С. 58.

7. Бочкарева O.O. Восстановление эволюционной истории геномных перестроек в бактериях. // Труды III Пущинской школы-конференции "Биохимия, физиология и биосферная роль микроорганизмов", Пущино. 2016.

8. Moroz (Lopatina) E.V., Bochkaryova O.O., Kazanov M.D., Kalinina A.S. Insights into evolution history of Burkholderia spp. // Труды конференции молодых ученых и специалистов ИППИ РАН (ИТиС), Сочи. 2015. С. 651-655.

9. Bochkareva O.O., Kazanov M.D. Evolutionary history of rearrangements in Burkholderia spp. // Proceedings of the 7th Moscow Conference on Computa- tional Molecular Biology (MCCMB), Москва. 2015. Постер 155.

10. Bochkareva O.O., Kazanov M.D., Gordienko E. Evolutionary history of recombination events in E.coli, Shigella and Salmonella genomes. // Proceedings of the 6th Moscow Conference on Computational Molecular Biology (MCCMB), Москва. 2013. Постер 210.

11. Бочкарева О.О. Анализ порядка генов в геномах бактерий и реконструкция геномных перестроек // Труды конференции молодых ученых и специалистов ИППИ РАН (ИТиС), Петрозаводск. 2012. С. 280-281.

12. Chlamydia pan-genomic analysis reveals balance between host adaptation and selective pressure to genome reduction. / O. Sigalova, A. Chaplin, O. Bochkareva, P. Shelyakin, V. Filaretov, E. Akkuratov, V. Burskaya, M. Gelfand // BioRxiv. 2018. С. 506121. DOI: 10.1101/50 6121. Preprint

13. Micro-evolution of three Streptococcus species: selection, antigenic variation, and horizontal gene inflow / P. Shelyakin, O. Bochkareva, A. Karan, M. Gelfand // BioRxiv. 2018. С. 447938. DOI: 10.1101/447 9 3 8. Preprint

Личный вклад автора. Личный вклад соискателя состоит в непосредствен-

U Л \J

ном планировании исследований, формулировке гипотез, теоретической разработке и практической реализации методов, формулировании результатов и выводов, подготовке и публикации научных статей. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 111 страницах. Она состоит из девяти разделов: введение, главы 1-5, заключение, список литературы и приложение. Глава 1 содержит обзор литературы по теме диссертации. Глава 2 содержит описание используемых методов и программ. Главы с 3 по 5 содержат описание собственных исследований. Работа содержит 37 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 112 наименований. Приложение содержит 5 таблиц.

Глава 1

Обзор литературы

1.1. Методы изучения геномных перестроек

В 1917 году Алфред Стёртевант, сравнивая меры сцепленности в геномах гибридов разных линий дрозофил D. pseudoobscura, заметил, что порядок генов на хромосомах разных линий из одного или разных географических регионов может различаться по "наличию блоков генов, повернутых на 180 градусов" [5]. Позже, в середине 30-х годов, с открытием политенных хромосом в клетках слюнных желез личинок дрозофилы появилась возможность более точно идентифицировать гомологичные участки хромосом, и сразу несколько научных групп заинтересовалось изучением консервативности порядка генов на хромосомах. В 1937 году Добржанский показал, что для разных хромосом в D. pseuodobscura из разных географических регионов характерен разный уровень сохранения порядка генов. Тем не менее, различия в расположении генов были найдены на всех хромосомах [6]. Добржанский не только описал наблюдаемые различия, но и предложил простейшие эволюционные сценарии инверсий, приводящие к этим различиям, и ввел термин "точка разрыва" (breakpoint), означающий нарушение порядка генов.

Простым и удобным способом визуализации сходства между двумя биологическими последовательностями являются графические матрицы, называемые "точечными матрицами" (dot-plot) [7]. При таком анализе последовательности сравниваемой пары белков располагают по горизонтальной и вертикальной осям графика и в случае совпадения аминокислотных остатков на поле ставится точка в соответствующих этой точке позициях белков. Изначально этот подход использовался для сравнения порядка генов на отдельных участках хромосом. С появлением полногеномного секвенирования этот метод получил широкое распространение для сравнения полных бактериальных геномов с той лишь разницей, что

теперь учитывалось совпадение не каждой отдельной позиции в последовательности, а гомологичность участков геномов при проходе с заданным шагом по геномам (Рис. 1.1).

Е. coli 1 Shigella 1

Рис. 1.1. Примеры точечных матриц, визуализирующих выравнивания хромосом. Сравнение хромосом двух штаммов Escherichia coli показывает одинаковый порядок расположения генов за исключением небольших вставок и делеций (слева), сравнение хромосом двух штаммов Shigella flexneri выявляет множественные геномные перестройки (справа). Иллюстрация сделана автором диссертации, матрицы построены с помощью [8].

В 1984 был введен термин консервативный сегмент ("conserved segment"), обозначающий наиболее длинный участок генома, порядок генов в котором сохраняется во всех изучаемых видах [9]. В следующее десятилетие развитие методов сравнительной геномики для поиска ортологов как маркеров эволюции сыграло важную роль в разработке и тестировании алгоритмов для изучения эволюционных сценариев перестроек. Однако, хотя работа с ортологами и удобна при изучении небольших геномов, таких как геномы митохондрий или вирусов, построение всех ортологов для большой выборки полных геномов организмов остается вычислительно трудной задачей, в том числе из-за большого количества дупликаций генов. Еще одним недостатком такого подхода является то, что учитываются только белок-кодирующие участки генома. Более того, развитие методов секве-нирования и накопление данных показало, что участки хромосом, считавшиеся

консервативными сегментами, при более детальном рассмотрении содержат микроперестройки [10]. Тогда группой Певзнера был разработан алгоритм вЫММ-Буп1епу, разбивающий геномы на гомологичные сегменты при условии, что длина гомологичного участка превышает заданное пороговое значение [11]. Такие участки, названные "синтенными блоками", не являются сегментами, строго идентичными во всех геномах, а даже напротив, часто содержат в себе короткие разрывы и другие микроперестройки. Однако создание такого конструкта позволило с помощью подбора оптимального порогового значения длины синтенных блоков для заданной выборки организмов проводить полногеномный анализ перестроек на различных биологических данных.

Первые алгоритмы для построения синтений [12—15] работали только с универсальными однокопийными генами и соответственно позволяли выделять только общие для всех организмов однокопийные синтенные блоки, что было успешным подходом для изучения эволюции млекопитающих (Рис. 1.2) [16].

Рис. 1.2. Визуализация синтений между геномами мыши и человека. Иллюстрация из [15]

Однако для работы с близкими штаммами бактерий необходим анализ микроперестроек, затрагивающих синтении из трех-пяти генов, и соответственно требовались более точные алгоритмы для определения границ перестроек. Кроме того, важную роль в эволюции геномов многих организмов играют дупликации, а

значит требовались алгоритмы, позволяющие находить синтенные блоки, встречающиеся в геномах несколько раз. Поэтому несколькими группами ученых были разработаны инструменты для полногеномного выравнивания, позволяющие выделять синтенные участки длиной в несколько сотен нуклеотидов и определять границы блоков с точностью до нескольких нуклеотидов [17; 18].

Таким образом, анализ перестроек может проводиться на разных уровнях. Для сравнения организмов из разных таксономических групп построение синтен-ных блоков по данным о расположении ортологичных генов позволяет детектировать события, затрагивающие большие группы генов; при сравнении организмов одного вида построение геномных выравниваний необходимо для выявления событий, затрагивающих участки в несколько сотен или тысяч нуклеотидов. Однако важно помнить, что количество детектируемых перестроек напрямую зависит от задаваемого порогового значения длины синтенных блоков.

Геномные перестройки могут быть разбиты на пять основных типов: делеции, дупликации, вставки, инверсии и транслокации. Размер затронутой перестройкой части генома может варьировать от нескольких тысяч до нескольких миллионов нуклеотидов. Функциональные последствия дупликаций зависят от контекста скопированного участка [19].

Делецией называют потерю части генетического материала. Вставками называется приобретение генетического материала вследствие двухцепочечного разрыва, в частности горизонтальный перенос генов.

Дупликацией называется увеличение количества копий участка генома. Образовавшийся повтор может как лежать непосредственно рядом с исходным участком, в случае тандемной дупликации, так и зафиксироваться в другом локусе.

Инверсией называют перестройку, при которой происходит встройка участка ДНК в обратном направлении. Транслокацией называют перенос участка ДНК в другую часть хромосомы или между хромосомами.

Инверсии и транслокации относятся к сбалансированным перестройкам, поскольку они не меняют состав и количество генетического материала в геноме.

Делеции, дупликации и вставки приводят к изменению количества генетической информации в геноме, их называют несбалансированными перестройками [19].

Для математического описания перестроек используются следующее представление данных [10]. Каждая хромосома записывается в виде строки с идентификаторами генов (или синтенных блоков) в том порядке, в котором они расположены на хромосоме; знак (+/-) перед геном или синтенным блоком показывает положение гена на цепи или относительное направление синтенных блоков. Пример >хромосома 1 [1 2-34-5 67] >хромосома 2 [8 9]

гп ч^ ч.» ч^

Тогда согласно этой математической модели перестройки можно представить в виде математических операций (Рис. 1.3). Комбинация различных перестроек с перекрыванием границ может объяснять сложные паттерны.

Тип перестройки

> Инверсия

Иллюстрация

Описание

> Транслокация

> Делеция

1 2 -3 4 -5 6 => 1 2 5 -4 3 6

1 2 -3 4 -5 6 => 1 2 4 -5 -3 6

1 2 -3 4 -5 6 => 1 2 4 -5 6

> Поворот участка хромосомы, приводит к изменению порядка следования генов на обратный с изменением их направления

> Перенос участка хромосомы в другой ее локус или на другую хромосому

> Потеря части генома

> Вставка

1 2 -3 4 -5 6 => 1 2 -3 4 7 -5 6

> Перенос и вставка части генома

Рис. 1.3. Математическое описание разных типов перестроек. Иллюстрация сделана автором диссертации.

Кроме того, для сравнения трех и более геномов требовались математические модели для количественной оценки меры сходства. Первую модель предложил Седергрен в своей работе над сравнением кольцевых митохондриальных

геномов [20]. Он ввел термин «редакционное расстояние», представляющее собой

/■— w \»< w w

минимальное число элементарных событий - инверсий, транслокаций, делеций и вставок, необходимых для перевода одного генома в другой (Рис. 1.4). Этот же подход был применен для сравнения линейных геномов, а именно отрезков хромосом бактерий [21] и Х-хромосом мыши и человека [22]. В первой работе вклад

/■— W W /■— W

каждого типа событий принимался равным, во второй каждому типу событий придавался определенный вес.

Следующим шагом развития методов стала реконструкция истории перестроек в контексте филогении изучаемых организмов. Для трех геномов - вируса герпеса 1 типа, вируса Эпштейна-Барр и цитомегаловируса - на основе попарного

Г— WW

сравнения был реконструирован эволюционный сценарий перестроек на неукоре-ненном дереве и положение синтенных блоков в предковом геноме (в узле дерева) [23]. В дальнейшем на основе этой работы был разработан алгоритм Multiple Genome Rearrangement Median (MGR-MEDIAN) [24], позволяющий реконструировать эволюционные сценарии предковых геномов при известной (заданной) филогении. Этот алгоритм был успешно применен к анализу геномов семи млекопитающих: человека, мыши, крысы, кошки, собаки, свиньи и коровы [16].

Филогенетические деревья являются важнейшим инструментом в понимании родственных связей между объектами, эволюционирующими с течением времени, и, в частности, между молекулярными последовательностями. При этом традиционное дерево организмов строится исходя из предположения вертикального наследования мутаций от родителей к потомкам. Однако, в бактериальных геномах гомологичная рекомбинация и горизонтальный перенос генов играют ключевую роль, и филогенетическое дерево штаммов не отражает эволюционную историю отдельных генов. В случае большого количество генов, затронутых гомологичной рекомбинацией, филогенетические деревья, построенные по объединению выравниваний отдельных генов, могут иметь ветки с низким уровнем бутстреп-под-держки или отличаться от истинного эволюционного дерева штаммов [25; 26].

начальное состояние

инверсия 1

инверсия 2

инверсия 5

/

инверсия 4

инверсия 3

4 7 10131619 22 25 2831 34 37 40 4346 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 9497100

Рис. 1.4. Цепочка перестроек, показанная с помощью точечных матриц. https://github.com/alex-bochkarev/dotplot-gen

Иллюстрация сделана автором диссертации с помощью

Поскольку восстановление филогении играет центральную роль в биологических исследованиях, параллельно с разработкой методов восстановления пред-кового порядка генов научными группами разрабатывались подходы для восстановления филогении по данным о расположении гомологичных участков на хромосомах. Первые алгоритмы восстанавливали филогению по матрице попарных расстояний, вычисляемой как парные редакционные расстояния между организмами [24; 27]. Затем были разработаны более точные алгоритмы, основанные на методе максимального правдоподобия (Maximum-Likelihood approach) [28; 29]. Применение алгоритмов к бактериальным данным показало, что во многих случаях набор перестроек, позволяющий кратчайшим способом перевести один геном в другой, не является уникальным и необходимо рассматривать все равновероятные пути [30]. Этот подход реализован в алгоритмах, построенных на Байессовском анализе апостериорных вероятностей [30; 31], и в этом случае для описания филогении может быть использована кластеризация деревьев в филогенетические леса (сети) [25].

1.2. Эволюция бактериальных геномов

Бактериальные хромосомы представляют собой сложные, быстро эволюционирующие системы. Их изменчивость возникает как в результате точечных мутаций, так и различных геномных перестроек [32]. Таким образом, бактериальную эволюцию можно описывать на разных уровнях, используя три модели бактериального генома:

- геном как набор генов, что позволяет моделировать процессы потерь и приобретения генов и восстанавливать состав генома предка;

- геном как упорядоченная последовательность генов, что позволяет моделировать геномные перестройки и восстанавливать порядок генов в предковом геноме;

- геном как нуклеотидная последовательность, что позволяет восстанавли-

вать историю замен.

Считается, что структура бактериальных хромосом определяется оптимизацией взаимодействия ДНК с различными аппаратами клетки. Например, гены, кодирующие ферменты одного метаболического пути, могут образовать опероны, сцепленное расположение генов в которых поддерживается отбором. На более высоком уровне организации можно отметить, что участки хромосомы, расположенные ближе к точке начала репликации, богаты высоко экспрессирующимися генами, что создает отрицательный градиент уровня экспрессии вдоль реплихор от точки начала до точки конца репликации (ori ^ ter). Кроме того, для бактериальных кольцевых хромосом характерна перепредставленность генов на лидирующей цепи, что можно объяснять отбором против "лобовых"столкновений при одновременных процессах транскрипции генов и ДНК репликации [33].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бочкарёва Ольга Олеговна, 2019 год

Список литературы

1. Genome rearrangements and phylogeny reconstruction in Yersinia pestis / O. Bochkareva, N. Dranenko, E. Ocheredko, G. Kanevsky, Y. Lozinsky, V. Khalaycheva, I. Artamonova, M. Gelfand // PeerJ. — 2018. — T. 6. — e4545.

2. Genome rearrangements and selection in multi-chromosome bacteria Burkholderia spp. / O. Bochkareva, E. Moroz, I. Davydov, M. Gelfand // BMC Genomics. — 2018. —T. 19, № 1. —C. 965.

3. Chlamydia pan-genomic analysis reveals balance between host adaptation and selective pressure to genome reduction. / O. Sigalova, A. Chaplin, O. Bochkareva, P. Shelyakin, V. Filaretov, E. Akkuratov, V. Burskaya, M. Gelfand // BioRxiv. — 2018. — C. 506121. — DOI: 10.1101/50 6121. — Preprint.

4. Micro-evolution of three Streptococcus species: selection, antigenic variation, and horizontal gene inflow / P. Shelyakin, O. Bochkareva, A. Karan, M. Gelfand // BioRxiv. — 2018. — C. 447938. — DOI: 10.1101/447 938. — Preprint.

5. SturtevantA. H. Genetic factors affecting the strength of linkage in Drosophila. // Proc Natl Acad Sci USA. — 1917. — T. 9. — C. 555—558.

6. Sturtevant A., Dobzhansky T. Inversions in the chromosomes of Drosophila pseudo-obscura. // Genetics. — 1938. — T. 23. — C. 2864.

7. Gibbs A. J., Mclntyre G. A. The diagram, a method for comparing sequences. Its use with amino acid and nucleotide sequences // Eur. J. Biochem. — 1970. — T. 16. —C. 1—11.

8. Noe L., Kucherov G. YASS: enhancing the sensitivity of DNA similarity search // Nucleic Acids Research. — 2005. — T. 33, № 2. — W540—W543.

9. Nadeau J., Taylor B. Lengths of chromosomal segments conserved since divergence of man and mouse. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1984. — T. 81. — C. 814— 818.

10. Ma J. Reconstructing the history of large-scale genomic changes: biological questions and computational challenges. // J Comput Biol. — 2011. — Т. 18, № 7. — С. 879—93.

11. Pevzner P., Tesler G. Genome rearrangements in mammalian evolution: lessons from human and mouse genomes // Genome Research. — 2003. — Т. 13, № 1. —С. 37—45.

12. Tesler G. GRIMM: genome rearrangements web server. // Bioinformatics. — 2002. — Т. 18, № 3. — С. 492—493.

13. Pan X., Stein L., Brendel V. SynBrowse: a synteny browser for comparative sequence analysis // Bioinformatics. — 2005. — Т. 21, № 17. — С. 3461— 3468.

14. Mazumder R., Kolaskar A., Seto D. GeneOrder: comparing the order of genes in small genomes // Bioinformatics. — 2001. — Т. 17, № 2. — С. 162—166.

15. Sinha A. U., Meller J. Cinteny: flexible analysis and visualization of synteny and genome rearrangements in multiple organisms // Bioinformatics. — 2007. — Т. 8, № 1. — С. 82.

16. Dynamics of mammalian chromosome evolution inferred from multispecies comparative maps. / W. J. Murphy, D. M. Larkin, A. Everts-van der Wind, G. Bourque, G. Tesler, L. Auvil, J. E. Beever, B. P. Chowdhary, F. Galibert, L. Gatzke, C. Hitte, S. N. Meyers, D. Milan, E. A. Ostrander, G. Pape, H. G. Parker, T. Raudsepp, M. B. Rogatcheva, L. B. Schook, L. C. Skow, M. Welge, J. E. Womack, S. J. O'brien, P. A. Pevzner, H. A. Lewin // Science. — 2005. — Т. 309, № 5734. — С. 613—617.

17. Sibelia: a scalable and comprehensive synteny block generation tool for closely related microbial genomes / I. Minkin, A. Patel, M. Kolmogorov, N. Vyahhi, S. Pham // 13th Workshop on Algorithms in Bioinformatics (WABI2013) / под ред.

A. Darling, J. Stoye. — Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2013. — C. 215— 229.

18. Darling A. E., Mau B., Perna N. T. progressiveMauve: multiple genome alignment with gene gain, loss and rearrangement // PLoS One. — 2010. — T. 5, № 6. — e11147.

19. Periwal V, Scaria V. Insights into structural variations and genome rearrangements in prokaryotic genomes // Bioinformatics. — 2015. — T. 31, № 1. — C. 1—9.

20. Gene order comparisons for phylogenetic inference: evolution of the mitochondrial genome. / D. Sankoff, G. Leduc, N. Antoine, B. Paquin, B. F. Lang, R. Cedergren // Proc Natl Acad Sci USA. — 1992. — T. 89, № 14. — C. 6575—6579.

21. Sanko D., Blanchette M., Kunisawa T. Parametric genome rearrangement. // Gene. — 1996. — T. 172, № 1. — C. 11—17.

22. Bafna V, Pevzner P. A. Sorting by reversals: Genome rearrangement in plant organelles and evolutionary history of x chromosome. // Molecular Biology and Evolution. — 1995. — T. 12. — C. 239—246.

23. Genome sequence comparison and scenarios for gene rearrangements: a test case. / S. Hannenhalli, C. Chappey, E. V. Koonin, P. A. Pevzner // Genomics. — 1995. — T. 30, № 2. — C. 299—311.

24. Bourque G., Pevzner P. A. Genome-scale evolution: reconstructing gene orders in the ancestral species. // Genome Res. — 2002. — T. 12, № 1. — C. 26—36.

25. Bernard G., Ragan M. A., Chan C. X. Recapitulating phylogenies using k-mers: from trees to networks. // F1000Res. — 2016. — T. 5. — C. 2789.

26. Koonin E. V. Horizontal gene transfer: essentiality and evolvability in prokaryotes, and roles in evolutionary transitions // F1000Research. — 2016. — № 5. — C. 1805.

27. New approaches for reconstructing phylogenies from gene order data. / B. Moret, L. Wang, T. Warnow, S. Wyman // Bioinformatics. — 2001. — T. 17, suppl 1. — C. 165—173.

28. Maximum likelihood phylogenetic reconstruction using gene order encodings / F. Hu, N. Gao, M. Zhang, J. Tang // Computational Intelligence in Bioinformatics and Computational Biology (CIBCB), IEEE Symposium On. USA. — 2011. — C. 1—6.

29. Hu F., Lin Y., Tang J. MLGO: phylogeny reconstruction and ancestral inference from gene-order data // BMC Bioinformatics. — 2014. — T. 15. — C. 354.

30. Darling A. E., Miklos I., Ragan M. A. Dynamics of genome rearrangement in bacterial populations. // PLoS Genet. — 2008. — T. 4, № 7. — e1000128.

31. Larget B., Simon D. L., Kadane J. On a Bayesian approach to phylogenetic inference from animal mitochondrial genome arrangements (with discussion) // Journal of the Royal Statistical Society, B. — 2002. — T. 64. — C. 681—693.

32. Patel S. Drivers of bacterial genomes plasticity and roles they play in pathogen virulence, persistence and drug resistance // Infection, Genetics and Evolution. — 2016. — T. 45. — C. 151—164.

33. Rocha E. P. The organization of the bacterial genome. // Annu. Rev. Genet. — 2008. — T. 42. — C. 211—233.

34. Henderson I. R., Owen P., Nataro J. P. Molecular switches-the ON and OFF of bacterial phase variation. // Mol Microbiol. — 1999. — T. 33, № 5. — C. 919— 932.

35. Genome-wide detection of conservative site-specific recombination in bacteria. / O. Sekulovic, G. E. Mathias, J. Bourgeois, R. Tamayo, A. Shen, A. Camilli // PLOS Genetics. — 2018. — T. 14, № 4. — e1007332.

36. Effect of iacP Mutation on Flagellar Phase Variation in Salmonella enterica Serovar Typhimurium Strain UK-1 / J. S. Eom, J. S. Kim, J. I. Jang, H. G. Kim,

I.-S. Bang, Y. K. Park // Journal of Bacteriology. — 2012. — T. 194, № 16. — C. 4332—4341.

37. Regulatory protein that inhibits both synthesis and use of the target protein controls flagellar phase variation in Salmonella enterica / P. D. Aldridge, C. Wu, J. Gnerer, J. E. Karlinsey, K. T. Hughes, M. S. Sachs // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2006. — T. 103, № 30. — C. 11340—11345.

38. Evidence for symmetric chromosomal inversions around the replication origin in bacteria / J. A. Eisen, J. F. Heidelberg, O. White, S. L. Salzberg // Genome Biol. — 2000. — T. 1, № 6. — RESEARCH0011.

39. DNA asymmetry and the replicational mutational pressure. / M. Kowalczuk, P. Mackiewicz, D. Mackiewicz, A. Nowicka, M. Dudkiewicz, M. R. Dudek, S. Cebrat // J Appl Genet. — 2001. — T. 42, № 4. — C. 553—77.

40. Chromosomal constraints in Gram-positive bacteria revealed by artificial inversions. / N. Campo, M. J. Dias, M. L. Daveran-Mingot, P. Ritzenthaler, P. Le Bourgeois // Mol Microbiol. — 2004. — T. 51, № 2. — C. 511—522.

41. Repar J., Warnecke T. Non-Random Inversion Landscapes in Prokaryotic Genomes Are Shaped by Heterogeneous Selection Pressures // Molecular Biology and Evolution. — 2017. — T. 34, № 8. — C. 1902—1911.

42. Treangen T. J., Rocha E. P. C. Horizontal transfer, not duplication, drives the expansion of protein families in prokaryotes // PLOS Genetics. — 2011. — T. 7, № 1. —e1001284.

43. Dorman C. J. H-NS-like nucleoid-associated proteins, mobile genetic elements and horizontal gene transfer in bacteria. // Plasmid. — 2014. — T. 75. — C. 1—

44. Mobile genetic elements: the agents of open source evolution. / L. S. Frost, R. Leplae, A. O. Summers, A. Toussaint // Nat. Rev. Microbiol. — 2005. — T. 3. — C. 722—732.

45. Conjugative transposons: the tip of the iceberg. / V. Burrus, G. Pavlovic, B. Decaris, G. Guedon // Mol. Microbiol. — 2002. — T. 46. — C. 601—610.

46. Murphy K. C. Phage recombinases and their applications. // Adv. Virus Res. — 2012. — T. 83. — C. 367—414.

47. Principal components analysis corrects for stratification in genome-wide association studies. / A. L. Price, N. J. Patterson, R. M. Plenge, M. E. Weinblatt, N. A. Shadick, D. Reich // Nat. Genet. — 2006. — T. 38. — C. 904—909.

48. The chromosomal organization of horizontal gene transfer in bacteria. / P. H. Oliveira, M. Touchon, J. Cury, E. P. C. Rocha // Nat Commun. — 2017. — T. 8, №1. —C. 841.

49. Passel M. W. J. van, Marri P. R., Ochman H. The emergence and fate of horizontally acquired genes in Escherichia coli // PLOS Computational Biology. — 2008. — T. 4, № 4. — e1000059.

50. Davies J., Davies D. Origins and evolution of antibiotic resistance. // Microbiol Mol Biol Rev. — 2010. — T. 74, № 3. — C. 417—433.

51. Hacker J., Carniel E. Ecological fitness, genomic islands and bacterial pathogenicity. A Darwinian view of the evolution of microbes. // EMBO Rep. — 2001. — T. 2. —C. 376—381.

52. Genome analysis of multiple pathogenic isolates of Streptococcus agalactiae: implications for the microbial "pan-genome" / H. Tettelin, V. Masignani, M. J. Cieslewicz, C. Donati, D. Medini, N. L. Ward, S. V. Angiuoli, J. Crabtree, A. L. Jones, A. S. Durkin [h gp.] // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 2005. — T. 102, № 39. — C. 13950—13955.

53. Legionella pneumophila pangenome reveals strain-specific virulence factors / G. D'Auria, N. Jimenez-Hernandez, F. Peris-Bondia, A. Moya, A. Latorre // BMC Genomics. — 2010. — T. 11, № 1. — C. 181.

54. Moldovan M., Gelfand M. Pangenomic definition of prokaryotic species and the phylogenetic structure of Prochlorococcus spp. // Front Microbiol. — 2018. — T. 9. — C. 428.

55. Muzzi A., Masignani V., Rappuoli R. The pan-genome: towards a knowledge-based discovery of novel targets for vaccines and antibacterials // Drug discovery today. — 2007. — T. 12, № 11. — C. 429—439.

56. Sarkar S. F., Guttman D. S. Evolution of the core genome of Pseudomonas syringae, a highly clonal, endemic plant pathogen // Applied and Environmental Microbiology. — 2004. — T. 70, № 4. — C. 1999—2012.

57. Mclnerney J., McNally A., O'Connell M. Why prokaryotes have pangenomes // Nat Microbiol. — 2017. — T. 2. — C. 17404.

58. Yersinia pestis, the cause of plague, is a recently emerged clone of Yersinia pseudotuberculosis / M. Achtman, K. Zurth, G. Morelli, G. Torrea, A. Guiyoule, E. Carnie // Proc Natl Acad Sci USA. — 1999. — T. 96, № 24. — C. 14043— 14048.

59. Martinez-Chavarria L. C., Vadyvaloo V. Yersinia pestis and Yersinia pseudotuberculosis infection: a regulatory RNA perspective // Front Microbiol. — 2015. — T. 6. — C. 956.

60. The pathogenicity of the Streptococcus genus / W. Krzysciak, K. Pluskwa, A. Jurczak, D. Koscielniak// European Journal of Clinical Microbiology and Infectious Diseases. — 2013. — T. 32, № 11. — C. 1361—1376.

61. Brown J. S., Gilliland S. M., Holden D.W. A Streptococcus pneumoniae pathogenicity island encoding an ABC transporter involved in iron uptake and virulence // Molecular Microbiology. — 2001. — T. 40, № 3. — C. 572—585.

62. Phylogenomics and the dynamic genome evolution of the genus Streptococcus / V. P. Richards, S. R. Palmer, P. D. Pavinski Bitar, X. Qin, G. M. Weinstock, S. K. Highlander, C. D. Town, R. A. Burne, M. J. Stanhope // Genome Biology and Evolution. — 2014. — Т. 6, № 4. — С. 741—753.

63. Cunningham M. Post-streptococcal autoimmune sequelae: rheumatic fever and beyond // Streptococcus pyogenes: basic biology to clinical manifestations / под ред. J. J. Ferretti, D. L. Stevens, V. A. Fischetti. — University of Oklahoma Health Sciences Center, 2016.

64. Mullen S. Review of pediatric autoimmune neuropsychiatric disorder associated with streptococcal infections // Mental Health Clinician. — 2015. — Т. 5, № 4. — С. 184—188.

65. Gottschalk M., Segura M. The pathogenesis of the meningitis caused by Streptococcus suis: the unresolved questions // Veterinary Microbiology. — 2000. — Т. 76, № 3. — С. 259—272.

66. Andam C. P., Hanage W. P. Mechanisms of genome evolution of Streptococcus // Infect Genet Evol. — 2015. — Т. 33. — С. 334—342.

67. Griffith F. The significance of Pneumococcal types // Journal of Hygiene. Cambridge University Press. — 1928. — Т. 27, № 2. — С. 113—159.

68. Avery O. T., MacLeod C. M., McCarty M. Studies on the chemical nature of the substance inducing transfor- mation of Pneumococcal types: induction of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from Pneumococcus type III // J. Exp. Med. — 1944. — Т. 79, № 2. — С. 137—58.

69. Coenye T, Vandamme P. Diversity and significance of Burkholderia species occupying diverse ecological niches // Environ Microbiol. — 2003. — Т. 5. — С. 719—29.

70. Howe C., Sampath A., Spotnitz M. The pseudomallei group: a review // J Infect Dis. — 1971. — Т. 124. — С. 598—606.

71. Ham J., Melanson R., Rush M. Burkholderia glumae: next major pathogen of rice? // Mol Plant Pathol. — 2011. — T. 12. — C. 329—39.

72. Classification of the biphenyl- and polychlorinated biphenyl-degrading strain LB400T and relatives as Burkholderia xenovorans sp. nov / J. Goris, P. De Vos, J. Caballero-Mellado, J. Park, E. Falsen, J. 3. Quensen, J. Tiedje, P. Vandamme // Int J Syst Evol Microbiol. — 2004. — T. 54. — C. 1677—81.

73. Frommel M., Nowak J., Lazarovits G. Growth enhancement and developmental modifications of in vitro grown potato (Solanum tuberosum spp. tuberosum) as affected by a nonfluorescent Pseudomonas sp // Plant Physiol. — 1991. — T. 96. — C. 928—36.

74. Chromosome translocation and its consequence in the genome of Burkholderia cenocepacia AU-1054 / F. Guo, L. W. Ning, J. Huang, H. Lin, H. X. Zhang // Biochem Biophys Res Commun. — 2010. — T. 403. — C. 375—9.

75. Egan E., Fogel M., Waldor M. Divided genomes: negotiating the cell cycle in prokaryotes with multiple chromosomes // Mol Microbiol. — 2005. — T. 56. — C. 1129—38.

76. Why genes evolve faster on secondary chromosomes in bacteria / V. Cooper, S. Vohr, S. Wrocklage, P. Hatcher // PLoS Comput Biol. — 2010. — T. 6. — e1000732.

77. Interrogation of the Burkholderia pseudomallei genome to address differential virulence among isolates / J. Challacombe, C. Stubben, C. Klimko, S. Welkos, S. Kern, J. Bozue, P. Worsham, C. Cote, D. Wolfe // PLoS One. — 2014. — T. 9, № 12. —e115951.

78. A genomic survey of positive selection in Burkholderia pseudomallei provides insights into the evolution of accidental virulence / T. Nandi, C. Ong, A. Singh, J. Boddey, T. Atkins, M. Sarkar-Tyson, A. Essex-Lopresti, H. Chua, T. Pearson, J. Kreisberg, C. Nilsson, P. Ariyaratne, C. Ronning, L. Losada, Y. Ruan, W. Sung,

D. Woods, R. Titball, I. Beacham, I. Peak, P. Keim, W. Nierman, P. Tan // PLoS Pathog. — 2010. — T. 6, № 4. — e1000845.

79. Structural flexibility in the Burkholderia mallei genome / W. Nierman, D. DeShazer, H. Kim, H. Tettelin, K. Nelson, T. Feldblyum, R. Ulrich, C. Ronning, L. Brinkac,

S. Daugherty, T. Davidsen, R. Deboy, G. Dimitrov, R. Dodson, A. Durkin, M. Gwinn, D. Haft, H. Khouri, J. Kolonay, R. Madupu, Y. Mohammoud, W. Nelson, D. Radune, C. Romero, S. Sarria, J. Selengut, C. Shamblin, S. Sullivan, O. White, Y. Yu, N. Zafar, L. Zhou, C. Fraser // Proc Natl Acad Sci USA.— 2004. — T. 101, № 39. — C. 14246—51.

80. Elwell C., Mirrashidi K., Engel J. Chlamydia Cell Biology and Pathogenesis. // Nature Reviews Microbiology. — 2016. — T. 14, № 6. — C. 385—400.

81. Campbell L., Rosenfeld M. Persistent C. pneumoniae infection in atherosclerotic lesions: rethinking the clinical trials. // Front Cell Infect Microbiol. — 2014. — T. 4. — C. 24.

82. Villareal C., Whittum-Hudson J., Hudson A. Persistent Chlamydiae and Chronic Arthritis. // Arthritis Research. — 2002. — T. 4, № 1. — C. 5—9.

83. Chlamydia Infection Promotes Host DNA Damage and Proliferation but Impairs the DNA Damage Response. / C. Chumduri, R. Gurumurthy, P. Zadora, Y. Mi, T. Meyer // Cell Host & Microbe. — 2013. — T. 13, № 6. — C. 746—758.

84. Nunes A., Gomes J. Evolution, phylogeny, and molecular epidemiology of Chlamydia. // Infect Genet Evol. — 2014. — T. 23. — C. 49—64.

85. Genetic diversity in the plasticity zone and the presence of the chlamydial plasmid differentiates Chlamydia pecorum strains from pigs, sheep, cattle, and koalas. / M. Jelocnik, N. Bachmann, B. Kaltenboeck, C. Waugh, L. Woolford, K. Speight, A. Gillett, D. Higgins, C. Flanagan, G. Myers, P. Timms, A. Polkinghorne // BMC Genomics. — 2015. — T. 16. — C. 893.

86. Unity in variety-the pan-genome of the Chlamydiae. / A. Collingro, P. Tischler, T. Weinmaier, T. Penz, E. Heinz, R. Brunham, T. Read, P. Bavoil, K. Sachse, S. Kahane, M. Friedman, T. Rattei, G. Myers, M. Horn // Mol Biol Evol. — 2011. — T. 28, № 12. — C. 3253—70.

87. Baldy-Chudzik K., BokE., Mazurek J. [Well-known and new variants of pathogenic Escherichia coli as a consequence of the plastic genome] // Advances in Hygiene and Experimental Medicine. — 2015. — T. 69. — C. 345—61.

88. Determining divergence times of the major kingdoms of living organisms with a protein clock / R. F. Doolittle, D. Feng, S. Tsang, G. Cho, E. Little // Science. — 1996. — T. 271. — C. 470—7.

89. Genome sequencing reveals diversification of virulence factor content and possible host adaptation in distinct subpopulations of Salmonella enterica / H. C. den Bakker, A. I. M. Switt, G. Govoni, C. A. Cummings, M. L. Ranieri, L. Degoricija, K. Hoelzer, L. D. Rodriguez-Rivera, S. Brown, E. Bolchacova, M. R. Furtado, M. Wiedmann // BMC Genomics. — 2011. — T. 12. — C. 425.

90. Reference sequence (RefSeq) database at NCBI: current status, taxonomic expansion, and functional annotation / N. O'Leary, M. Wright, J. Brister, SC, DH, R. McVeigh, B. Rajput, B. Robbertse, B. Smith-White, D. Ako-Adjei, A. Astashyn, A. Badretdin, Y. Bao, O. Blinkova, V. Brover, V. Chetvernin, J. Choi, E. Cox, O. Ermolaeva, C. Farrell, T. Goldfarb, T. Gupta, D. Haft, E. Hatcher, W. Hlavina, V. Joardar, V. Kodali, W. Li, D. Maglott, P. Masterson, K. McGarvey, M. Murphy, K. O'Neill, S. Pujar, S. Rangwala, D. Rausch, L. Riddick, C. Schoch, A. Shkeda, S. Storz, H. Sun, F. Thibaud-Nissen, I. Tolstoy, R. Tully, A. Vatsan, C. Wallin, D. Webb, W. Wu, M. Landrum, A. Kimchi, T. Tatusova, M. DiCuccio, P. Kitts, T. Murphy, K. Pruitt // Nucleic Acids Research. — 2016. — T. 44, № D1. — C. D733—45.

91. Proteinortho: detection of (Co-)orthologs in large-scale analysis / M. Lechner, S. Findeiss, L. Steiner, M. Marz, P. Stadler, S. Prohaska//BMC Bioinformatics. — 2011. —T. 12, № 1. —C. 124.

92. InterProScan 5: genome-scale protein function classification / P. Jones, D. David Binns, H.-Y. Chang, M. Fraser, W. Li, C. McAnulla, H. McWilliam, J. Maslen, M. Alex, G. Nuka, S. Pesseat, A. F. Quinn, A. Sangrador-Vegas, M. Scheremetjew, S.-Y. Yong, R. Lopez, S. Hunter // Bioinformatics. — 2014. — T. 30, № 9. — C. 1236—1240.

93. Katoh K., Standley D. M. MAFFT multiple sequence alignment software version 7: improvements in performance and usability // Mol Biol Evol. — 2013. — T. 30, № 4. — C. 772—780.

94. GUIDANCE: a web server for assessing alignment confidence scores / O. Penn, E. Privman, H. Ashkenazy, G. Landan, D. Graur, T. Pupko // Nucleic Acids Res. — 2010. — T. 38, Web Server issue. — W23—8.

95. Stamatakis A. RAxML version 8: a tool for phylogenetic analysis and post-analysis of large phylogenies // Bioinformatics. — 2014. — T. 30, № 9. — C. 1312—3.

96. New algorithms and methods to estimate maximum-likelihood phylogenies: assessing the performance of PhyML / S. Guindon, J.-F. Dufayard, V. Lefort, M. Anisimova, W. Hordijk, O. Gascuel // Systematic Biology. — 2010. — T. 59, №3. —C. 307—321.

97. Pham S., Pevzner P. DRIMM-Synteny: decomposing genomes into evolutionary conserved segments // Bioinformatics. — 2010. — T. 26. — C. 2509—16.

98. Huson D., Bryant D. Application of Phylogenetic Networks in Evolutionary Studies // Mol. Biol. Evol. — 2006. — T. 23, № 2. — C. 254—267.

99. Reconstruction of ancestral genomes in presence of gene gain and loss / P. Avdeyev, S. Jiang, S. Aganezov, F. Hu, M. A. Alekseyev Journal of Computational Biology. — 2016. — T. 23, № 3. — C. 150—164.

100. Yang Z. PAML: a program package for phylogenetic analysis by maximum likelihood // Comput Appl Biosci. — 1997. — T. 13. — C. 555—6.

101. Alexa A., Rahnenfuhrer J. topGO: enrichment analysis for gene ontology. R package version 2.30.0. — 2016.

102. Mira A., Pushker R., Rodriguez-Valera F. The Neolithic revolution of bacterial genomes // TRENDS in Microbiology. — 2006. — T. 14, № 5. — C. 200—206.

103. Complete genome sequence of Yersinia pestis strains Antiqua and Nepal516: evidence of gene reduction in an emerging pathogen / P. S. Chain, P. Hu, S. A. Malfatti, L. Radnedge, F. Larimer, L. M. Vergez, P. Worsham, M. C. Chu, G. L. Andersen // J Bacteriol. — 2006. — T. 188, № 12. — C. 4453—4463.

104. Complete genome sequence of a serotype 11A, ST62 Streptococcus pneumoniae invasive isolate / R. Camilli, R. Bonnal, M. Del Grosso, M. Iacono, G. Corti, E. Rizzi, M. Marchetti, L. Mulas, F. Iannelli, F. Superti, M. Oggioni, G. De Bellis, A. Pantosti // BMC Microbiol. — 2011. — T. 11. — C. 25.

105. Plumptre C., Ogunniyi A., Paton J. Polyhistidine triad proteins of pathogenic streptococci // Trends Microbiol. — 2012. — T. 20, № 10. — C. 485—93.

106. Epigenetic switch driven by DNA inversions dictates phase variation in Streptococcus pneumoniae. / J. Li, J. W. Li, Z. Feng, J. Wang, H. An, Y. Liu, Y. Wang, K. Wang, X. Zhang, Z. Miao, W. Liang, R. Sebra, G. Wang, W. C. Wang, J. R. Zhang // PLoS Pathog. — 2016. — T. 12, № 7. — e1005762.

107. Diversity of pneumolysin and pneumococcal histidine triad protein D of Streptococcus pneumoniae isolated from invasive diseases in korean children / K. Yun, H. Lee, E. Choi, H. Lee // PLoS One. — 2015. — T. 10, № 8. — e0134055.

108. Lesic B., Carniel E. Horizontal transfer of the high-pathogenicity island of Yersinia pseudotuberculosis // J Bacteriol. — 2005. — T. 187, № 10. — C. 3352—8.

109. Moran N. A. Minireview microbial minimalism: genome reduction in bacterial pathogens. // Cell. — 2002. — T. 108. — C. 583—586.

110. Slager J., Aprianto R., Veening J.-W. Deep genome annotation of the opportunistic human pathogen Streptococcus pneumoniae D39 // Nucleic Acids Research. — 2018. — T. 46, № 19. — C. 9971—9989.

111. diCenzo G. C., Finan T. M. The divided bacterial genome: structure, function, and evolution // Microbiol Mol Biol Rev. — 2017. — T. 81, № 3. — e00019—17.

112. Kunin V, Ouzounis C. A. The balance of driving forces during genome evolution in prokaryotes. // Genome Res. — 2003. — T. 13, № 7. — C. 1589—94.

Приложение А

Штаммы, использованные в работе

Таблица А.1. Штаммы Yersinia spp., использованные в работе. Идентификаторы указаны по базе данных NCBI [90].

название штамма идентификатор хромосомы обозначение

Y. enterocolitica subsp. palearctica 105.5R(r) NC 015224 внешний таксон

Y pestis A1122 NC 017168 Yp A1122

Y. pestis Angola NC 010159 Yp Angola

Y. pestis Antiqua NC 008150 Yp Antiqua

Y. pestis biovar Medievalis str. Harbin 35 NC 017265 Yp Harbin 35

Y. pestis biovar Microtus str. 91001 NC 005810 Yp Microtus 91001

Y pestis D106004 NC 017154 Yp D106004

Y pestis D182038 NC 017160 Yp D182038

Y pestis KIM10+ NC 004088 Yp KIM

Y. pestis Nepal516 NC 008149 Yp Nepal 516

Y. pestis Pestoides F NC 009381 Yp Pestoides F

Y pestis Z176003 NC 014029 Yp Z176003

Y pestis CO92 NC 003143 Yp CO92

Y. pseudotuberculosis IP 31758 NC 009708 Ypt IP31758

Y. pseudotuberculosis IP32953 NC 006155 Ypt IP32953

Y. pseudotuberculosis PB1/+ NC 010634 Ypt PB1

Y. pseudotuberculosis YPIII NC 010465 Ypt YPIII

Таблица А.2. Штаммы Streptococcus spp., использованные в работе. Идентификаторы указаны по базе данных NCBI [90].

название штамма идентификатор хромосомы размер генома, п.н.

S. pyogenes ATCC 19615 CP008926 1844804

S. pneumoniae SNP034156 FQ312045 2024476

S. pyogenes AP1 CP007537 1908294

S. suis 05HAS68 CP002007 2176073

S. pneumoniae PCS8235 CM001835 2073383

название штамма идентификатор хромосомы размер генома, п.н.

S. pneumoniae AP200 CP002121 2130580

S. pyogenes NZ131 ATCC BAA-1633 CP000829 1815785

S. suis DN13 CP015557 2142184

S. suis TL13 CP003993 2038146

S. pneumoniae OXC141 FQ312027 2036867

S. suis BM407 FM252032 2146229

S. pneumoniae NT 110 58 CP007593 2287774

S. pyogenes SF370 AE004092 1852433

S. pyogenes HKU360 CP009612 1944537

S. pyogenes NGAS638 CP010450 1791401

S. suis T15 CP006246 2240234

S. pneumoniae 670-6B CP002176 2240045

S. pneumoniae Hungary19A-6 CP000936 2245615

S. pyogenes HKU488 CP012045 1943415

S. pyogenes NGAS322 CP010449 1950469

S. pyogenes MGAS15252 CP003116 1750832

S. pyogenes 5448 CP008776 1829516

S. pyogenes M23ND CP008695 1846477

S. suis YB51 CP006645 2043655

S. pyogenes MGAS23530 CP013839 1709394

S. pneumoniae Taiwan19F-14 CP000921 2112148

S. pyogenes MGAS9429 CP000259 1836467

S. pyogenes A20 CP003901 1837281

S. suis A7 CP002570 2038409

S. pneumoniae TIGR4 ATCC BAA-334 AE005672 2160842

S. pyogenes MGAS10750 CP000262 1937111

S. suis SC070731 CP003922 2138568

S. pyogenes MGAS5005 CP000017 1838562

S. suis D12 CP002644 2183059

S. pyogenes STAB10015 CP011068 1950454

S. pneumoniae JJA CP000919 2120234

S. suis 98HAH33 CP000408 2095698

название штамма идентификатор хромосомы размер генома, п.н.

S. pyogenes NGAS327 CP007562 1702054

S. pneumoniae D39 CP000410 2046115

S. pyogenes JRS4 AP012335 1811124

S. pyogenes MGAS11027 CP013838 1786874

S. pneumoniae P1031 CP000920 2111882

S. pneumoniae SNP994038 FQ312041 2026239

S. pneumoniae SNP994039 FQ312044 2026505

S. pneumoniae ST556 CP003357 2150813

S. pyogenes NGAS596 CP007561 1791306

S. suis JS14 CP002465 2137435

S. suis S735 CP003736 1980887

S. suis D9 CP002641 2177656

S. pyogenes MGAS10270 CP000260 1928252

S. pyogenes MGAS2096 CP000261 1860355

S. pyogenes 1E1 CP007241 1796152

S. suis ZY05719 CP007497 2094898

S. pyogenes SSI-1 BA000034 1894275

S. pyogenes MGAS8232 AE009949 1895017

S. suis 6407 CP008921 2292360

S. suis 90-1330 CP012731 2146151

S. pneumoniae CGSP14 CP001033 2209198

S. pyogenes MGAS1882 CP003121 1781029

S. pyogenes MEW427 CP014138 1814455

S. pneumoniae ATCC 700669 FM211187 2221315

S. pneumoniae 70585 CP000918 2184682

S. pyogenes MGAS6180 CP000056 1897573

S. pyogenes STAB901 CP007024 1795609

S. pyogenes Manfredo AM295007 1841271

S. pyogenes NS53 CP015238 1765123

S. pyogenes M1 476 AP012491 1831128

S. suis ST3 CP002633 2028815

S. suis NSUI060 CP012911 2285232

название штамма идентификатор хромосомы размер генома, п.н.

S. pyogenes STAB902 CP007041 1892124

S. pyogenes 7F7 CP007240 1709790

S. pyogenes Alab49 CP003068 1827308

S. pyogenes MGAS27061 CP013840 1741348

S. pyogenes D471 CP011415 1811968

S. pyogenes MTB314 AP014585 1744827

S. pyogenes MEW123 CP014139 1878699

S. pyogenes H293 HG316453 1726248

S. pyogenes MTB313 AP014572 1745332

S. suis NSUI002 CP011419 2255345

S. pneumoniae INV200 FQ312029 2093317

S. pyogenes HKU QMH11M0907901 AFRY01000001 1908100

S. pyogenes MGAS315 AE014074 1900521

S. pneumoniae A45 HE983624 2129934

S. pyogenes HSC5 CP006366 1818351

S. pneumoniae SNP034183 FQ312043 2037254

S. suis SC84 FM252031 2095898

S. suis SS12 CP002640 2096866

S. pyogenes AP53 CP013672 1860554

S. pneumoniae A66 LN847353 1983415

S. pneumoniae gamPNI0373 CP001845 2064154

S. pyogenes M28PF1 CP011535 1896976

S. pneumoniae INV104 FQ312030 2142122

S. pneumoniae TCH8431 19A CP001993 2088772

S. pneumoniae NCTC7465 LN831051 2110968

S. suis 05ZYH33 CP000407 2096309

S. suis ST1 CP002651 2034321

S. pyogenes MGAS10394 CP000003 1899877

S. suis GZ1 CP000837 2038034

S. pneumoniae R6 AE007317 2038615

S. suis P1 7 AM946016 2007491

S. pyogenes NGAS743 CP007560 1915554

название штамма

идентификатор хромосомы размер генома, п.н.

S. pneumoniae G54 S. pyogenes FDAARGOS 149

CP001015 CP014027

2078953 1839641

Таблица А.3. Штаммы БигккоМепа 8рр., использованные в работе. Идентификаторы указаны по базе данных МСБТ [90].

название штамма идентификатор сборки размер генома, п.н.

B. ambifaria AMMD ASM95954v1 7528578

B. ambifaria MC40-6 ASM1992v1 7642536

B. cenocepacia AU 1054 ASM1408v1 7279116

B. cenocepacia H111 ASM23621v4 7714893

B. cenocepacia HI2424 ASM20395v1 7702840

B. cenocepacia J2315 ASM948v1 8055782

B. cenocepacia MC0-3 ASM1950v1 7971389

B. cenocepacia strain 842 ASM160611v1 8149696

B. cenocepacia strain 895 ASM160613v1 8731481

B. cenocepacia strain DDS 22E-1 ASM75572v1 8045250

B. cenocepacia strain DWS 37E-2 ASM76495v1 6612421

B. cenocepacia strain ST32 ASM148466v1 8090388

B. cepacia AMMD ASM20391v1 7528567

B. cepacia ATCC 25416 ASM141149v1 8605945

B. cepacia GG4 ASM29291v1 6467321

B. cepacia JBK9 ASM70116v2 8481212

B. cepacia strain DDS 7H-2 ASM75580v1 8147114

B. cepacia strain LO6 ASM97483v2 6419376

B. contaminas strain MS14 ASM102914v1 8509249

B. dolosa AU0158 ASM95950v1 6409095

B. gladioli BSR3 ASM19474v1 9052299

B. gladioli strain ATCC 10248 ASM95972v1 8899459

B. glumae BGR1 ASM2264v1 7284636

B. glumae LMG 2196 ASM96099v1 6820727

B. glumae PG1 ASM83520v1 7896538

B. sp. 383 ASM1294v1 8676277

название штамма идентификатор сборки размер генома, п.н.

B. mallei ATCC 23344 ASM1170v1 5835527

B. mallei NCTC 10229 ASM1560v1 5742303

B. mallei NCTC 10247 ASM76228v1 5827656

B. mallei NCTC 10247 2 ASM1562v1 5848380

B. mallei SAVP1 ASM1546v1 5232401

B. mallei strain FMH 23344 ASM75578v1 5835541

B. mallei strain 6 ASM75584v1 5647769

B. mallei strain 23344 ASM75586v1 5625292

B. mallei strain BMQ ASM75588v1 5630231

B. mallei strain 2000031063 ASM75602v2 5874930

B. mallei strain 2002734299 ASM95916v1 5742341

B. mallei strain 11 ASM95940v1 5913134

B. mallei strain India86-567-2 ASM95946v1 5686446

B. mallei strain 2002734306 ASM95948v1 5409162

B. mallei strain 2002721276 ASM95962v1 5780439

B. multivorans ATCC 17616 ASM1054v1 7008810

B. multivorans ATCC 17616 ASM1850v1 7008622

B. multivorans strain DDS 15A-1 ASM75600v1 7281867

B. multivorans ATCC BAA-247 ASM95952v1 6322746

B. oklahomensis strain EO147 ASM75598v1 7313673

B. oklahomensis C6786 ASM95936v1 7135022

B. pseudomallei 1026b ASM26051v1 7231415

B. pseudomallei 1026b 2 ASM95912v1 7237672

B. pseudomallei 1106a ASM1592v1 7089249

B. pseudomallei 1710b ASM1278v1 7308054

B. pseudomallei 406e ASM95914v1 7271506

B. pseudomallei 576 ASM75618v1 7266604

B. pseudomallei 668 ASM1590v1 7040403

B. pseudomallei 7894 ASM95926v1 7381912

B. pseudomallei A79A ASM77053v1 7272441

B. pseudomallei B03 ASM77045v1 7264759

B. pseudomallei BPC006 ASM29463v1 7155061

название штамма идентификатор сборки размер генома, п.н.

B. pseudoma e HBPUB10303a ASM75590v1 7178176

B. pseudoma e HBPUB10134a ASM75592v1 7218403

B. pseudoma e K42 ASM77051v1 7296458

B. pseudoma e strain K96243 ASM1154v1 7247547

B. pseudoma e MSHR305 ASM43969v1 7428072

B. pseudoma e MSHR146 ASM52164v1 7313103

B. pseudoma e MSHR2543 ASM95922v1 7446569

B. pseudoma e MSHR511 ASM52089v1 7316085

B. pseudoma e MSHR491 ASM95920v1 7356376

B. pseudoma e MSHR520 ASM58383v1 7450511

B. pseudoma e MSHR5848 ASM75596v1 7290434

B. pseudoma e MSHR5855 ASM75606v1 7297804

B. pseudoma e MSHR5858 ASM75594v1 7072128

B. pseudoma e MSHR62 ASM77039v1 7225433

B. pseudoma e MSHR840 ASM95918v1 7129813

B. pseudoma e U20B-16 ASM51191v1 7313851

B. pseudoma e U35A-3 ASM76457v1 7204083

B. pseudoma e NCTC 13179 ASM49485v1 7337157

B. pseudoma e NCTC 13178 ASM51189v1 7391364

B. pseudoma e PB08298010 ASM95934v1 7375551

B. pseudoma e Pasteur 52237 ASM75703v2 7325318

B. pseudoma e TSV 48 ASM77049v1 7337621

B. pseudoma e BP_3921g BP_3921g 7161665

B. pseudoma e strain 1106a ASM75614v1 7086433

B. pseudoma e strain 982 ASM127797v1 7184677

B. pseudoma e strain BDP ASM75576v1 7442161

B. pseudoma e strain BSR ASM75582v1 7272702

B. pseudoma e strain BGR ASM75608v1 7231385

B. pseudoma e K96243 ASM95928v1 7247614

B. pseudoma e strain Bp1651 ASM131824v1 7260025

B. pseudoma e strain M1 ASM169571v1 7318076

B. pseudoma e strain MS ASM169573v1 7313636

название штамма идентификатор сборки размер генома, п.н.

B. pseudomallei strain MSHR668 ASM95930v1 7042714

B. pseudomallei strain Mahidol-1106a ASM75612v1 7085397

B. pseudomallei strain MSHR1655 ASM75616v1 7027950

B. pseudomallei strain PHLS 112 ASM75701v2 7202363

B. sp. TSV202 ASM77056v1 7814142

B. pseudomallei strain vgh07 ASM95417v1 7045782

B. pseudomallei strain vgh16R ASM127787v1 7266508

B. pseudomallei strain vgh16W ASM127789v1 7266810

B. pyrrocinia strain DSM 10685 ASM102866v1 7961346

B. sp. CCGE1001 ASM17693v3 7253494

B. sp. CCGE1002 ASM9288v1 7884858

B. sp. CCGE1003 ASM14868v1 7043595

B. sp. KJ006 ASM26269v1 6629912

B. sp. RPE64 ASM40203v1 6964487

B. sp. YI23 ASM23606v1 8896411

B. thailandensis E264 ASM1236v1 6723972

B. thailandensis MSMB121 ASM38552v1 6731379

B. thailandensis H0587 ASM56790v1 6768375

B. thailandensis 2002721723 ASM56792v1 6577133

B. thailandensis E444 ASM56794v1 6651696

B. thailandensis USAMRU Malaysia 20 ASM70674v1 6684359

B. thailandensis MSMB59 ASM76459v1 6739500

B. thailandensis E254 ASM76537v1 6676730

B. thailandensis strain 2003015869 ASM80803v2 6729116

B. thailandensis 2002721643 ASM95942v1 6722801

B. thailandensis 34 ASM95960v1 7120198

B. ubonensis MSMB22 ASM95924v1 7189071

B. vietnamiensis G4 ASM1620v1 8391070

B. vietnamiensis LMG 10929 ASM95944v1 6930496

B. sp. RPE67 ASM82887v1 8685756

B. sp. 2002721687 ASM95932v1 7285824

B. sp. PAMC 26561 ASM155753v1 7431919

название штамма

B. sp. PAMC 28687 strain PAMC28687 B. sp. HB1

B. plantarii strain ATCC 43733 B. sp. Bp5365 strain MSMB43 B. sp. OLGA172

идентификатор сборки размер генома, п.н.

ASM157746v1 6881273

ASM129304v1 7206167

ASM141180v1 8081051

ASM151374v1 7287809

ASM163436v1 8574890

Таблица А.4. Штаммы С1ату<Иа spp., использованные в работе. Идентификаторы указаны по базе данных МСБТ [90].

название штамма идентификатор хромосомы размер, п.н.

C. muridarum str. Nigg NC 002620.2 1072950

C. pecorum P787 NC 022441.1 1106409

C. pecorum PV3056 NC 022439.1 1104552

C. pecorum W73 NC 022440.1 1106534

C. psittaci 01DC12 NC 019391.1 1171011

C. psittaci 84/55 NC 018619.1 1172064

C. psittaci CP3 NC 018625.1 1168150

C. psittaci GR9 NC 018620.1 1147152

C. psittaci M56 NC 018623.1 1161385

C. psittaci MN NC 018627.1 1168490

C. psittaci NJ1 NC 018626.1 1161434

C. psittaci VS225 NC 018621.1 1157385

C. psittaci WC NC 018624.1 1172265