Phylogenomik

Phylogenomik ist ein Fachgebiet, das sich mit der Analyse von Stammbäumen unter Verwendung von sequenzierten Genomen beschäftigt. Die Methoden der Phylogenetik werden dabei auf Genome angewendet, teilweise auch auf per reverser Transkription erzeugter DNA aus Transkriptomen.

Eigenschaften

Die Phylogenomik dient der Vorhersage der Funktion eines unbekannten Proteins anhand ähnlicher Proteine mit bekannter Funktion durch einen Vergleich der DNA-Sequenzen. Weiterhin untersucht sie Abstammungen und Verwandtschaftsbeziehungen, das Auftreten von horizontalen Gentransfers und die evolutionäre Entstehung von Genfamilien und den daraus entstehenden Proteinfamilien innerhalb einer Art.

Die Analyse erfolgt aufgrund der vergleichsweise großen zu vergleichenden Datensätze mit bioinformatischen Methoden. Dabei verbessert die Analyse vieler Gene die Teststärke. Die Methoden können in fünf Gruppen eingeteilt werden, auf verschiedenen Genen basierend, auf dem Inhalt des Gens basierend, auf der Anordnung der Gene basierend, K-string-basierend und auf Stoffwechselwegen basierend. Während die meisten Methoden auf einer Zuordnung homologer Sequenzabschnitte (Sequenzalignment) basieren, die mit zunehmender Länge und mit abnehmender Verwandtschaft der Sequenzen immer aufwändiger und letztlich, für den Vergleich ganzer Genome, unmöglich wird, ist die K-String-Methode zuordnungsfrei; später wurden eine Reihe weiterer Methoden ohne Alignment entwickelt, die teilweise mit geringerer Rechenleistung auskommen. Je nach gewählter Berechnungsmethode können gelegentlich aus dem gleichen Datensatz unterschiedliche Stammbäume erstellt werden.

Bei den Analysen gibt es verschiedene Grundannahmen wie der Erhalt von Sequenzen über die Zeit, die Äquivalenz der Methoden bei Stammbäumen und der Evolution von Gen- bzw. Proteinfamilien, einfache zellkernlose Zellen als Ursprung allen Lebens und den horizontalen Gentransfer als Ursache von Inkongruenzen bei Analysen verschiedener Gene (einschließlich der Entstehung von Endosymbionten).

Aufgrund von phylogenomischen Analysen wurde der Ursprung zellulärer Lebensformen auf etwa vor 2,9 Milliarden Jahre geschätzt. Fast alle photosynthetisierenden Eukaryoten besitzen einen gemeinsamen Urvorfahren.

Phylogenomische Methoden sind z. B. die Genomsequenzierung, die Sequenzierung der rDNA, das Multilocus Sequence Typing und die Multilocus Sequence Analysis. Evolutionäre Abstammungen sind in der Datenbank PhylomeDB verzeichnet.

In der Virologie sind heute bioinformatischen Methoden zur Bestimmung von Verwandtschaftsverhältnissen alleinbestimmend. Beispiele für solche Methoden sind Clusteranalyse, ViPTree und VIRIDIC.

Geschichte

Die Bezeichnung Phylogenomik wurde 1997 von Jonathan Eisen geprägt und umfasste ursprünglich nur die Vorhersage der Funktion eines Proteins anhand der Ähnlichkeiten von DNA-Sequenzen. Im Jahr 1998 arbeitete er die Methodik dazu aus. Die Entstehung von Proteinfamilien wurde 1965 von Emile Zuckerkandl und Linus Pauling beschrieben, etwa 35 Jahre vor den ersten sequenzierten Genomen. Die Verwendung von Genomen zur Erstellung von evolutionären Stammbäumen als Teil der Phylogenomik wurde Anfang der 2000er Jahre begonnen und 2005 zuerst umfassend beschrieben.

Literatur

• Rob DeSalle: Phylogenomics. Garland Science, 2012, ISBN 978-1-135-03871-7 (englisch).
• William J. Murphy: Phylogenomics. Humana Press, 2008, ISBN 978-1-58829-764-8 (englisch).
• Marco Fondi: Bioinformatics of Genome Evolution: from Ancestral to Modern Metabolism Phylogenomics and Comparative Genomics to Understand Microbial Evolution. Firenze University Press, 2011, ISBN 978-88-6655-043-3 (englisch)
• A. Som: Causes, consequences and solutions of phylogenetic incongruence. In: Briefings in bioinformatics. Band 16, Nummer 3, Mai 2015, S. 536–548; doi:10.1093/bib/bbu015, PMID 24872401 (englisch).

Einzelnachweise

1. ↑ E. Pennisi: Evolution. Building the tree of life, genome by genome. In: Science. Band 320, Nummer 5884, Juni 2008, S. 1716–1717; doi:10.1126/science.320.5884.1716, PMID 18583591 (englisch).
2. ↑ J. T. Cannon, K. M. Kocot: Phylogenomics Using Transcriptome Data. In: Methods in Molecular Biology. Band 1452, 2016, S. 65–80; doi:10.1007/978-1-4939-3774-5_4. PMID 27460370 (englisch).
3. ↑ J. W. Whitaker, G. A. McConkey, D. R. Westhead: The transferome of metabolic genes explored: analysis of the horizontal transfer of enzyme encoding genes in unicellular eukaryotes. In: Genome biology. Band 10, Nummer 4, 2009, S. R36; doi:10.1186/gb-2009-10-4-r36, PMC 2688927 (freier Volltext), PMID 19368726 (englisch).
4. ↑ Q. Ong, P. Nguyen, N. P. Thao, L. Le: Bioinformatics Approach in Plant Genomic Research. In: Current genomics. Band 17, Nummer 4, August 2016, S. 368–378; doi:10.2174/1389202917666160331202956, PMC 4955030 (freier Volltext), PMID 27499685 (englisch).
5. ↑ S. Kumar, A. J. Filipski, F. U. Battistuzzi, S. L. Kosakovsky Pond, K. Tamura: Statistics and truth in phylogenomics. In: Molecular biology and evolution. Band 29, Nummer 2, Februar 2012, S. 457–472; doi:10.1093/molbev/msr202, PMC 3258035 (freier Volltext), PMID 21873298 (englisch).
6. ↑ Z. Wang, Z. Xie, Y. Cai, K. Shu, F. Huang: Advances in phylogenomics. In: Yi chuan = Hereditas / Zhongguo yi chuan xue hui bian ji. Band 36, Nummer 7, Juli 2014, S. 669–678; doi:10.3724/SP.J.1005.2014.0669, PMID 25076031 (englisch).
7. ↑ Hervé Philippe, Frédéric Delsuc, Henner Brinkmann, Nicolas Lartillot: Phylogenomics. In: Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. Band 36, 2005, S. 541–562, doi:10.1146/annurev.ecolsys.35.112202.130205 (englisch).
8. ↑ C. G. Kurland, A. Harish: The phylogenomics of protein structures: The backstory. In: Biochimie. Band 119, Dezember 2015, S. 284–302; doi:10.1016/j.biochi.2015.07.027, PMID 26234735 (englisch).
9. ↑ B. Boussau, V. Daubin: Genomes as documents of evolutionary history. In: Trends in ecology & evolution. Band 25, Nummer 4, April 2010, S. 224–232; doi:10.1016/j.tree.2009.09.007, PMID 19880211 (englisch).
10. ↑ M. J. Seufferheld, G. Caetano-Anollés: Phylogenomics supports a cellularly structured urancestor. In: Journal of molecular microbiology and biotechnology. Band 23, Nummer 1–2, 2013, S. 178–191; doi:10.1159/000346552. PMID 23615204 (englisch).
11. ↑ F. Burki, K. Shalchian-Tabrizi, J. Pawlowski: Phylogenomics reveals a new 'megagroup' including most photosynthetic eukaryotes. In: Biology letters. Band 4, Nummer 4, August 2008, S. 366–369; doi:10.1098/rsbl.2008.0224, PMC 2610160 (freier Volltext), PMID 18522922 (englisch).
12. ↑ J. Huerta-Cepas, S. Capella-Gutiérrez, L. P. Pryszcz, M. Marcet-Houben, T. Gabaldón: PhylomeDB v4: zooming into the plurality of evolutionary histories of a genome. In: Nucleic acids research. Band 42, Database issue Januar 2014, S. D897–D902; doi:10.1093/nar/gkt1177, PMC 3964985 (freier Volltext), PMID 24275491 (englisch).
13. ↑ Y. Nishimura, T. Yoshida, M. Kuronishi, H. Uehara, H. Ogata, S. Goto: ViPTree: the viral proteomic tree server. In: Bioinformatics, Band 33, Nr. 15, 2017, S. 2379–2380; doi:10.1093/bioinformatics/btx157, PMID, 28379287 (englisch). Weblink.
14. ↑ Liliana Cristina Moraru, Arvind Varsani, Andrew M. Kropinski: VIRIDIC - A Novel Tool to Calculate the Intergenomic Similarities of Prokaryote-Infecting Viruses. In: Viruses. Band 12, Nr. 11, 6. November 2020, S. 1268; doi:10.3390/v12111268, PMC 7694805 (freier Volltext), PMID 33172115 (englisch). Weblink.
15. ↑ Wikidata: Jonathan A. Eisen (Q2000017)?
16. ↑ Jonathan A. Eisen, D. Kaiser, R. M. Myers: Gastrogenomic delights: a movable feast. In: Nature medicine. Band 3, Nummer 10, Oktober 1997, S. 1076–1078; PMC 3155951 (freier Volltext), PMID 9334711 (englisch).
17. ↑ Jonathan A. Eisen: Phylogenomics: improving functional predictions for uncharacterized genes by evolutionary analysis. In: Genome research. Band 8, Nummer 3, März 1998, S. 163–167; PMID 9521918 (englisch).
18. ↑ Emile Zuckerkandl, Linus Pauling: Evolutionary divergence and convergence in proteins. In: V. Bryson, H. J. Vogel: Evolving genes and proteins. Academic Press, New York 1965, S. 97–166 (englisch).
19. ↑ Jonathan A. Eisen, Claire M. Fraser: Phylogenomics: Intersection of Evolution and Genomics. In: Science. 300, 2003, S. 1706–1707 (englisch).
20. ↑ F. Delsuc, H. Brinkmann, H. Philippe: Phylogenomics and the reconstruction of the tree of life. In: Nature Reviews Genetics. Band 6, Nummer 5, Mai 2005, S. 361–375; doi:10.1038/nrg1603. PMID 15861208 (englisch).