Hologenomika - Hologenomics

Hologenomika je omics studie hologenomy. Hologenome je celá sada genomy a holobiont, organismus společně se všemi společnými stanovišti mikroby, jiné formy života a viry.[1] Zatímco termín hologenome pocházel z hologenome evoluční teorie, který to předpokládá přírodní výběr vyskytuje se na úrovni holobiontu,[2] hologenomika používá integrační rámec pro vyšetřování interakcí mezi hostitel a související druh. Mezi příklady patří střevní mikrob[3] nebo virové[4] genomy spojené s lidskými nebo zvířecími genomy pro výzkum interakce hostitel-mikrob.[5] Hologenomické přístupy byly také použity k vysvětlení genetické rozmanitosti v mikrobiálních společenstvích mořské houby.[6]

Dějiny

Počátky hologenomiky se točí kolem hologenomové evoluční teorie, která popisuje jednotlivce mnohobuněčné organismy, mikroby a viry symbiotické vztahy a prochází koevoluce spolu.[2][7] Richard Jefferson představil pojem „hologenome“ k popisu genomu hostitele-symbionta jako evoluční jednotky.[8] Před tím, Lynn Margulis používal výraz „holobiont“ k popisu hostitelů a souvisejících druhů jako ekologické jednotky.[9]

Koevoluce eukaryoty-prokaryoty

Zřetelná mikrobiální společenství v houbách se sbíhají a mají společnou funkčnost navzdory zachování fylogenetických rozdílů.[10]

Nejstarší důkazy o mnohobuněčných-jednobuněčných interakcích lze pozorovat u hub, které jsou dobře studovaným hologenomickým systémem. Porifera jsou často označovány jako holobionty, protože ukrývají širokou škálu bakterie, archaea a řasy. Byly pozorovány přítomné mikrobiální komunity metabolické funkce a imunní odpovědi.[10] Potomci dědí tyto mikrobiální kolonie prostřednictvím vertikální a / nebo horizontální přenos.[10] Symbiont kolonie jsou předávány prostřednictvím rodičů gamety ve vertikálním přenosu, zatímco potomek získávat stejné kolonie ze svého prostředí v horizontálním přenosu. Vertikální přenos je také vidět v pozemní organismy jako C. ocellatus, kde gamaproteobakterie v rodičovském střevě je svisle přenášeno prostřednictvím kontaminace vajíčky.[11]

Kritika

Evoluce teorie hologenome není plně přijata, a výzkum v mikrobiální-hostitelská fylogenetika probíhá. Spíše než výběr korálů s určitými symbiotickými mikrobiálními společenstvími, bělení korálů může být jednoduše výsledkem environmentální stresory a přítomnost bakterií v bělených korálech lze vysvětlit jednoduše jako oportunistická kolonizace.[12] Testování všudypřítomnosti také odhalilo mnoho různých bakteriální a řasa symbionty, které nejsou spojeny s jediným druhem korálů,[13] což naznačuje, že hologenomika pouze identifikuje a ověřuje mechanistické interakce mezi nimi patogeny, mikroby a jejich hostitelé. [14]

Příklady objevů s hologenomickými přístupy

  • Nanopore sekvenování - Profilování organel genomů v holobiontu C. ashmeadii odhalil to Rhodospirillaceae byl dominantní mezi šesti domnělými endosymbionty.[15]
  • 16S rRNA sekvenování - Mikrobiální komunity specifické pro houby byly profilovány pomocí rRNA a genového sekvenování rRNA, což poskytlo vhled do bakteriální rozmanitosti a aktivity těchto komunit.[16]
  • Metagenomická DNA - Genové profily houbových mikrobiomů byly porovnány s okolními planktonickými komunitami.[17] Geny základní funkce mikrobiálních symbiontů vyjádřily konzistentní vzorce fylogeneze a funkce, které se liší od vzorků planktonu, což demonstruje koevoluci hostitel-symbiont.[17]

Aplikace

Lék

Předpokládá se pokračující výskyt neinfekční nemoci je výsledkem modernizace snižování rozmanitosti symbiotických mikrobů.[14] Lidský mikrobiom byl také korelován s mnoha etiologie z nepřenosná nemoc, jako jsou mozkové poruchy,[18] rakovina,[19][20] a srdeční choroby.[21] Interakce mezi lidským mikrobiomem a lidským zdravím jsou složité a naznačují hologenomický přístup.

Choroba biomarkery lze nalézt zkoumáním životního stylu, genomových rozdílů a mRNA /protein /metabolit profily pacienta a jejich mikrobioty.[14] Pro vyšetřování mikrobiomů a konkrétně subkomunit mikrobioty, které mohou přispět k onemocnění fenotyp, podélné studie jsou doporučeny, protože každý má přizpůsobený mikrobiom s malými rozdíly v mikrobiomu fylotypy.[14] Poté lze vytvořit osobní plán řízení mikrobiomu člověka pomocí prebiotika pěstování prospěšných endogenních mikrobů a probiotika manipulace s hologenomem člověka.[22]

Imunologie

Podmiňovací způsob vzájemnost, kde paraziti mají vzájemné účinky za určitých environmentálních / ekologických podmínek, byly zjištěny při interakcích holobiont-holobiont.[23] Je známo, že zrání savčích hostitelských imunitních systémů zahrnuje gastrointestinální flóra.[24] Pochopení rozpoznávání mikroorganismů cizí patogenní invaze a toho, jak imunita hostitele upřednostňuje nejideálnější symbiont, může pomoci při objevování nových terapeutických způsobů boje proti vyvíjejícím se chorobám.

Viz také

Reference

  1. ^ Rosenberg, Eugene; Zilber-Rosenberg, Ilana (2018-04-25). „Koncept hologenomu evoluce po 10 letech“. Mikrobiom. 6 (1): 78. doi:10.1186 / s40168-018-0457-9. ISSN  2049-2618. PMC  5922317. PMID  29695294.
  2. ^ A b Číslo 6 v sérii 7 nahrávek VHS, Desetiletí PCR: Oslava 10 let zesílení„Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1994. ISBN 0-87969-473-4.
  3. ^ Denman, Stuart E .; McSweeney, Christopher S. (2015-02-16). „Časný dopad genomiky a metagenomiky na bachorovou mikrobiologii“. Výroční přehled biologických věd o zvířatech. 3 (1): 447–465. doi:10.1146 / annurev-animal-022114-110705. ISSN  2165-8102. PMID  25387109.
  4. ^ Patowary, Ashok; Chauhan, Rajendra Kumar; Singh, Meghna; KV, Shamsudheen; Periwal, Vinita; KP, Kushwaha; Sapkal, Gajanand N .; Bondre, Vijay P .; Gore, Milind M. (01.01.2012). „De novo identifikace virových patogenů z hologenomů buněčné kultury“. Poznámky k výzkumu BMC. 5: 11. doi:10.1186/1756-0500-5-11. ISSN  1756-0500. PMC  3284880. PMID  22226071.
  5. ^ Miller, William B. Jr. (2013). The Microcosm Within: Evolution and Extinction in the Hologenome. Universal-Publishers. ISBN  978-1612332772.
  6. ^ Webster, Nicole S .; Thomas, Torsten (04.05.2016). "Houba Hologenome". mBio. 7 (2): e00135–16. doi:10,1 128 / mBio.00135-16. ISSN  2150-7511. PMC  4850255. PMID  27103626.
  7. ^ Rosenberg, Eugene; Zilber-Rosenberg, Ilana (2018-04-25). „Koncept hologenomce evoluce po 10 letech“. Mikrobiom. 6 (1): 78. doi:10.1186 / s40168-018-0457-9. ISSN  2049-2618. PMC  5922317. PMID  29695294.
  8. ^ Číslo 6 v sérii 7 nahrávek VHS, Desetiletí PCR: Oslava 10 let zesílení„Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1994. ISBN 0-87969-473-4.
  9. ^ Margulis, University of Massachusetts Amherst Massachusetts Lynn; Margulis, Lynn; Fester, René (1991). Symbióza jako zdroj evolučních inovací: Speciace a morfogeneze. MIT Stiskněte. ISBN  978-0-262-13269-5.
  10. ^ A b C Webster, Nicole S .; Thomas, Torsten (04.05.2016). "Houba Hologenome". mBio. 7 (2). doi:10,1 128 / mBio.00135-16. ISSN  2150-7511. PMID  27103626.
  11. ^ Kaiwa, Nahomi; Hosokawa, Takahiro; Kikuchi, Yoshitomo; Nikoh, Naruo; Meng, Xian Ying; Kimura, Nobutada; Ito, Motomi; Fukatsu, Takema (01.06.2010). „Primární střevní Symbiont a sekundární, Symbiont spojený s Sodalisem z Scutellerid Stinkbug Cantao ocellatus“. Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 76 (11): 3486–3494. doi:10.1128 / AEM.00421-10. ISSN  0099-2240. PMC  2876435. PMID  20400564.
  12. ^ Ainsworth, T. D .; Fajn, M .; Roff, G .; Hoegh-Guldberg, O. (2008). „Bakterie nejsou primární příčinou bělení ve středomořských korálech Oculina patagonica“. Časopis ISME. 2 (1): 67–73. doi:10.1038 / ismej.2007.88. ISSN  1751-7362. PMID  18059488. S2CID  1032896.
  13. ^ Hester, Eric R .; Barott, Katie L .; Nulton, Jim; Vermeij, Mark JA; Rohwer, Forest L. (květen 2016). „Stabilní a sporadická symbiotická společenství holobiontů korálů a řas“. Časopis ISME. 10 (5): 1157–1169. doi:10.1038 / ismej.2015.190. ISSN  1751-7370. PMC  5029208. PMID  26555246.
  14. ^ A b C d Theis, Kevin R. (10.04.2018). „Hologenomika: biologie hostitele na úrovni systémů“. mSystémy. 3 (2). doi:10,1128 / mSystems.00164-17. ISSN  2379-5077. PMC  5895875. PMID  29657963.
  15. ^ Sauvage, Thomas; Schmidt, William E .; Yoon, Hwan Su; Paul, Valerie J .; Fredericq, Suzanne (2019-11-13). „Slibné vyhlídky na sekvencování nanoporů pro hologenomiku řas a objev strukturních variací“. BMC Genomics. 20 (1): 850. doi:10.1186 / s12864-019-6248-2. ISSN  1471-2164. PMC  6854639. PMID  31722669.
  16. ^ Kamke, Janine; Taylor, Michael W .; Schmitt, Susanne (01.01.2017). „Profily aktivity pro mořské houby spojené s bakteriemi získanými srovnáním genů 16S rRNA vs. 16S rRNA“. Časopis ISME. 4 (4): 498–508. doi:10.1038 / ismej.2009.143. ISSN  1751-7370. PMID  20054355.
  17. ^ A b Fan, Lu; Reynolds, David; Liu, Michael; Stark, Manuel; Kjelleberg, Staffan; Webster, Nicole S .; Thomas, Torsten (03.07.2012). „Funkční ekvivalence a evoluční konvergence ve složitých společenstvích mikrobiálních houbových symbiontů“. Sborník Národní akademie věd. 109 (27): E1878 – E1887. doi:10.1073 / pnas.1203287109. ISSN  0027-8424. PMC  3390844. PMID  22699508.
  18. ^ Zhu, Sibo; Jiang, Yanfeng; Xu, Kelin; Cui, Mei; Ye, Weimin; Zhao, Genming; Jin, Li; Chen, Xingdong (2020-01-17). „Pokrok ve výzkumu střevních mikrobiomů souvisejících s poruchami mozku“. Journal of Neuroinflammation. 17 (1): 25. doi:10.1186 / s12974-020-1705-z. ISSN  1742-2094. PMC  6969442. PMID  31952509.
  19. ^ Xavier, Joao B .; Young, Vincent B .; Skufca, Joseph; Ginty, Fiona; Testerman, Traci; Pearson, Alexander T .; Macklin, Paul; Mitchell, Amir; Shmulevich, Ilya; Xie, Lei; Caporaso, J. Gregory (01.03.2020). „Rakovinový mikrobiom: Rozlišování přímých a nepřímých účinků vyžaduje systémové zobrazení“. Trendy v rakovině. 6 (3): 192–204. doi:10.1016 / j.trecan.2020.01.004. ISSN  2405-8033. PMC  7098063. PMID  32101723.
  20. ^ Helmink, Beth A .; Khan, M. A. Wadud; Hermann, Amanda; Gopalakrishnan, Vancheswaran; Wargo, Jennifer A. (06.03.2019). „Mikrobiom, rakovina a léčba rakoviny“. Přírodní medicína. 25 (3): 377–388. doi:10.1038 / s41591-019-0377-7. ISSN  1546-170X. PMID  30842679.
  21. ^ Trøseid, Marius; Andersen, Geir Øystein; Broch, Kaspar; Hov, Johannes Roksund (01.02.2020). „Střevní mikrobiom u ischemické choroby srdeční a srdečního selhání: současné znalosti a budoucí směry“. EBioMedicine. 52: 102649. doi:10.1016 / j.ebiom.2020.102649. ISSN  2352-3964. PMC  7016372. PMID  32062353.
  22. ^ Mladý, Vincent B. (2017-03-15). „Role mikrobiomu pro lidské zdraví a nemoci: úvod pro klinické pracovníky“. BMJ. 356: j831. doi:10.1136 / bmj.j831. ISSN  0959-8138. PMID  28298355.
  23. ^ Dheilly, Nolwenn Marie (03.07.2014). „Interakce Holobiont – Holobiont: Předefinování interakcí hostitel – parazit“. PLOS patogeny. 10 (7): e1004093. doi:10.1371 / journal.ppat.1004093. ISSN  1553-7374. PMC  4081813. PMID  24992663.
  24. ^ Belkaid, Yasmine; Hand, Timothy W. (2014-03-27). „Role mikrobioty v imunitě a zánětu“. Buňka. 157 (1): 121–141. doi:10.1016 / j.cell.2014.03.011. ISSN  0092-8674. PMC  4056765. PMID  24679531.