Горизонтальні перенесення генів та філогенетичних дерев - SVT Lyon

Демонстрація горизонтальних передач генів між грибами та комахами за допомогою інструменту BLAST та із застосуванням принципу парсимонізму.

Посилання на BO

Термінальна спеціальність: Земля, життя та організація живих істот
Генетика та еволюція
Ускладнення геномів: горизонтальні переноси та ендосимбіози

Універсальність ДНК та унікальність її структури в живому світі дозволяють генетичний обмін між організмами, які не обов'язково пов'язані.
Обмін генетичним матеріалом, поза статевим розмноженням, є горизонтальним перенесенням. Вони здійснюються різними процесами (вірусні вектори, кон’югація бактерій).
Горизонтальні перенесення є дуже частими і мають дуже значний вплив на еволюцію популяцій та екосистем. Це стосується практики охорони здоров’я людини (поширення стійкості до антибіотиків).

Цілі

Дізнайтеся про інструменти роботи дослідників у галузі біоінформатики та генетики.
Спілкуйтеся та використовуйте цифрові технології (обговорюйте їх процеси, результати, дослідження, вибір, аргументуючи).
Вправляйте критичне мислення.

Проблема

Ми прагнемо обґрунтувати, що придбання фітофагового раціону певних членистоногих стало можливим завдяки горизонтальному переносу генів від бактерій або грибів.

На дидактичному рівні

1) Мотивація сеансу
Деякі членистоногі мають фітофагу, що означає, що вони харчуються виключно рослинами. Під час травлення кишкові ферменти руйнують рослинні макромолекули, що складають рослинні стінки (целюлоза, лігнін, пектин тощо). Ці ферменти кодуються генами GH 28, GH 45, GH 11, CE 8 та ін. Ми більш конкретно зацікавлені в гені GH 28, який бере участь у деградації пектину. Недавні дослідження показали, що ці ферменти були отримані шляхом горизонтальної передачі генів: гени GH 28 від одного виду (бактерії, гриби тощо) були б інтегровані мільйони років тому в інші види (деякі членистоногі).

генів

2) Формулювання діяльності

Сперечайтесь для виправдовувати ніж:

  1. Горизонтальні генетичні переноси від геномів грибів до геномів членистоногих пояснюють набуття фітофагової дієти певних членистоногих.
  2. Придбання фітофагової дієти не пов'язане з еволюційним нововведенням, що з'явилося у предка, спільного для членистоногих.

Робочі опори

  • Цифрова підтримка: веб-сайт BLAST https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi
    та технічний аркуш
  • Документальний корпус:

    > XP_009550975.1
    MSALTLVLLLSATTVSSVFGASSCVGTISSLDDVAAAVKCTTVNINSFIVPAGKTFDLSLAAGTTVNLNG
    DVSFGNQTWAGPLFQISGSSITFNGNGHTFNGNGPFYWDGQGGNGGVTKPHPMMKIKISGTFTNIKVLNS
    PAHVYSVSNPAPLVMSKLTIDNSAGDAANSKSGGKAAGHNTDGFDVSTTDLTIEDSTVYNQDDCIAINKG
    SNIVFQRNTCVGGHGISIGSISTGATVSGVIISGNTITNNDNGLRIKTKASATDASVSNVTYSGNTATGI
    RKYGVLIDQSYPDTLGTPGKNVHISGITFSGAESDVAVVSGAKRVAVNCGDCTGTWDWGKLKVSGGSAGS
    ISGFSGIENFSL

    Документ 1: Послідовність GH 28 (фермент полігалактуронази) гриба Гетеробасидіон нерегулярний

    Документ 2: Філогенетичне дерево членистоногих.
    Зелені, червоні та сині лінії позначають горизонтальні перенесення, виділені вченими.
    Джерело: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4943190/pdf/evw119.pdf

    Документ 3: Принцип паскудження.
    Принцип економності, принцип економії гіпотез призведе до збереження філогенетичних дерев, які використовують найменшу кількість трансформацій (або еволюційних інновацій).
    Джерело: "Зрозуміти і викласти класифікацію живих істот", Lecointre і Le Guyader, Editions Belin.

    Документальні джерела

    Оцінка

    Тести:

    • Актуальність елементів, взятих з документів, для вирішення наукової проблеми.
    • Повнота та актуальність знань, необхідних для комплексного вирішення проблеми, на додаток до даних з документів.

    Інформація для збору:

    • Демонстрація послідовності ферменту GH 28 у кількох членистоногих.
    • Ідентифікація цих груп членистоногих, що несуть фермент.
    • Позиціонування на сімейному дереві нових інновацій GH 28.
    • Цитується та використовується принцип паскудження.

    Знання мобілізовані:

    • Концепція еволюційних інновацій, що з'явилася у спільного предка.
    • Більшість нащадків спільного предка носять цю нову рису.

    На освітньому рівні

    1. Описані етапи роботи.

    Індивідуальний або парний етап: студенти обмірковують стратегію аргументування на користь горизонтального перенесення генів від грибів до комах, що сприяє придбанню фітофагової дієти. Після перевірки викладачем вони шукають допомоги BLAST для підтвердження своєї гіпотези.
    Об’єднання: студенти погоджуються з тим, що послідовності, характерні для грибів, знаходяться в геномі певних комах, комах-фітофагів.
    Але при всьому цьому - це горизонтальний перенос генів чи це ознака, успадкована від спільного предка ?
    Аналіз філогенетичного дерева дозволить аргументувати перехід генів від одного виду до іншого.
    Пара фаз: студенти аналізують, розміщують еволюційні інновації на дереві та аргументують користь горизонтального перенесення генів.

    2. Діяльність, пристосована до одного або двох типів організації.

    Практична робота в парах або групах з 4 студентів, щоб дозволити протистояння ідей, спростування або підтвердження гіпотез.

    3. Організація об’єднання.

    Фаза об’єднання: професор проектує філогенетичне дерево на дошці (doc 2) і відзначає на ньому результати генетичного аналізу. Таким чином, ми можемо візуалізувати позицію еволюційного нововведення "Наявність ферментів, що погіршують стінку рослинних клітин" у групах, ідентифікованих з BLAST. Таким чином, можна перевірити горизонтальний перенос генів, а не вертикальний перенос.

    Результати

    Документ 1 та Технічний аркуш: сайт BLAST використовується в біоінформатиці для визначення взаємозв'язку між генами або білками. Таким чином, вводячи послідовність на сайт, можна шукати його наявність або відсутність у різних групах живого світу.
    Тут ми маємо послідовність гриба, здатного перетравлювати пектин завдяки ферменту, GH 28. Ми хочемо знати, чи знаходимо ми цей фермент у членистоногих. Апріорі, його слід знаходити у комах-фітофагів.
    Студент вводить послідовність у BLAST та шукає присутність у різних групах, згаданих у документі 2.
    Дослідження BLAST запропонованої послідовності GH 28 показує, що вона знаходиться в:

    • Жуки-фітофаги
    • Hemiptera
      Що, здається, відповідає представленому дереву.
      Однак у Phasmatodea його не знайдено, для якого дослідники підтвердили існування горизонтального переносу генів. Ми можемо пояснити це тим, що нас цікавив лише один фермент, але дослідники взяли кілька, які походять від грибків або бактерій.

    Висновок 1: У деяких членистоногих є гени, присутні в певних грибах і дозволяють деградувати целюлозу. Це аргумент на користь горизонтальних передач генів.

    Документ 2:
    Ми бачимо, що кілька груп членистоногих мають ферменти, що дозволяють розщеплювати молекули стінок рослинних клітин: Coleoptera, Hemiptera, Phasmatodea. Для пояснення присутності цих генів у 3 групах членистоногих можна сформулювати дві гіпотези:

    • 1-а гіпотеза: Це еволюційне нововведення, яким поділяються ці групи, могло б з’явитися перед загальним предком цих трьох видів. Отже, усі нащадки цього загального предка повинні мати цей тип генів. Однак це не так, лише 3 з 23 мають. Ген з часом був би "загублений" 20 групами. Це означає внесення максимум 20 модифікацій у дерево (по одній для кожної гілки) або мінімум 11 модифікацій (по одній для кожного набору відповідних груп).
    • 2-а гіпотеза: ці гени були б отримані шляхом горизонтального переносу генів у 3 відповідних групах, незалежно від інших груп. Це зробило б лише 3 зміни у дереві.

    Висновок 2: Принцип економності при будівництві дерев (doc 3) говорить нам, що еволюція сприяє мінімальній кількості модифікацій. Таким чином, перша гіпотеза вертикального переносу генів із втратою набутих генів здається малоймовірною через велику кількість необхідних модифікацій. Друга гіпотеза, що стосується горизонтального переносу генів, здається вірогідною: перенесення генів від гриба до груп Coleoptera, Hemiptera, Phasmatodea могло б дозволити набуття цими членистоногими нових властивостей - деградації клітинної стінки., пропонуючи їм нову екологічну нішу.

    Загальний висновок: послідовності, загальні для грибів та фітофагів, та їх розподіл у філогенетичному дереві доводять горизонтальний перенос генів. Ці горизонтальні перенесення генів відіграють важливу роль в еволюції живих істот і беруть участь у диверсифікації та складності живих істот.