在基因組學時代對微生物進行分類



由于新技術平臺,DNA測序通量的快速增長推動了測序微生物基因組數量的增加,并推動了這些數據更多地可用于研究界。傳統上,鑒定選擇用于測序的微生物通?;趩蝹€通用標記基因來確定。然而,最近,研究人員已經注意到,全基因組信息已經可用的微生物的身份并不總是與下一代高通量測序出現之前常用方法確定的同一性相匹配。

在基因組學時代對微生物進行分類

在2015年7月6日在線發表于核酸研究(NAR)的一項研究中,來自美國能源部聯合基因組研究所(DOE JGI)的研究小組,DOE科學用戶設施辦公室及其合作者開發并評估了幾十年來微生物學家依賴的傳統方法對微生物物種進行分類的新方法 - 可根據需要進行補充。研究第一作者DOE JGI的Neha Varghese說,微生物物種標識符(MiSI)方法滿足了“對系統,可擴展,客觀的微生物物種分配技術的長期需求”。

“基于快速,基因組序列的方法”

標準的全基因組方法依賴于小亞基核糖體RNA基因(16S rRNA); 在沒有測序的情況下,研究人員使用DNA-DNA雜交,表型信息 - 基因分型,表型分型或微生物共享的化學化合物分類等方法來獲得微生物分類所需的信息。在DOE JGI開發的MiSI方法主要依賴于基因組測序,并且是用于確定兩個基因組的密切關系的兩個度量的組合:全基因組平均核苷酸同一性(gANI)和比對分數(AF)。計算工具開發是DOE JGI十年戰略愿景的關鍵要素,這對于表征復雜的生物和環境系統以支持DOE的研究任務以及該研究所與國家能源研究科學計算中心(NERSC)的合作至關重要。

“微生物學的科學家和實踐者將非常欣賞這種基于快速,基于序列的方法提供的微生物世界的強大,廣泛的分類組織,”密歇根州立大學微生物生態學中心主任Jim Tiedje說。“它為識別細菌提供了更加準確和明確的方法。” 大草原土壤 Metagenome 大挑戰項目的 DOE JGI合作者,Tiedje和他的前學生Kostas Konstantinidis,該研究的共同作者之一,聯合開發了原始由DOE JGI團隊修改的全基因組gANI指標作為MiSI方法的基礎。

由Tiedje和Konstantinidis開發的gANI方法中的算法使用在整個基因組上采樣的片段和國家生物技術信息中心(NCBI)工具基本局部比對搜索工具(BLAST)進行序列比對。通過使用基因的核苷酸序列和基于BLAST的修改的相似性搜索,MiSI顯著加快了計算速度 - 大約10倍。

該團隊在一個龐大的數據庫中實施了MiSI方法,該數據庫包含從綜合微生物基因組(IMG)數據庫中選擇的超過13,000種細菌和古菌的高質量基因組。然后將這些基因組分類為由集團或集團所代表的集群,其中連通性由基因組相似性(進化距離的替代)決定,因此,首次允許研究人員繪制基因組如何相互關聯。大的系統發育空間。

這些集團的完全連接性質幫助團隊識別高度保守的物種核心,而團體群體的半連接性質有助于識別可以在分類學上重新審視的物種。此外,由于聚類僅基于基因組相關性,因此該團隊能夠使用該方法確定未培養的生物體是否與現有物種相關或是否是新的候選物種。

“物種鑒定的通用方法”

“使用這種方法轉化微生物學的意義不容小覷,”原核生物超級計劃負責人兼本研究共同作者Kyrpides說。“我們現在有一種通用的方法可以識別所有古細菌和細菌,它們依賴于整個基因組,而不是單個基因或少量標記基因。當應用于目前可用的所有測序基因組時,這種方法使我們能夠觀察到物種的進化,通過我們稱之為集團的群體來表現。也許我們觀察到的最引人注目的觀察之一是,超過一半的物種中有超過一個具有一個以上測序的基因組,至少有一個基因組被錯誤命名。“

Kyrpides繼續說,“這種方法也揭示了長期爭論的微生物物種問題。事實上,超過86%的所有微生物物種已經被測序的多個基因組被分組成不同的團體,強烈支持微生物物種的概念,而不是微生物物種之間的遺傳連續性概念,觀察到少數物種,約占5%。隨著微生物基因組測序數量的爆炸,觀察這些觀察結果如何演變將是非常有趣的。“

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