原核生物の進化体系または「複数種起源」に関する興味深い結果

系統分類学は、さまざまな生物の近縁性とそれらの進化の近さを決定しようとしています。 少し前までは、これは生物の外部兆候（より正確には形態学）によって判断されていましたが、現在では、これらの生物のゲノムを比較することで明確に判断に引き継がれています。



しかし、体のDNAは多くのヌクレオチドで構成されており、生物の類似性を判断するためにそれらすべてを考慮することは非常に困難です。 さらに、DNAは常に進化しています。 したがって、生物学者はリボソームリボ核酸（rRNA）に依存し始めました。 これらの分子はすべての細胞の生命体に見られ、その機能は体にとって最も重要な翻訳プロセスに関連しており、全体として一次構造は高度な保守性を特徴としています。



rRNAの特徴は選択範囲外であると考えられているため、これらの分子は一定の割合で発生する自然突然変異の結果として進化し、そのような突然変異の蓄積は時間のみに依存します。 したがって、生物間の進化距離の尺度は、比較されるrRNAの分子内のヌクレオチド置換の数です。



原核生物と真核生物のリボソームには3種類のrRNAが存在することが知られています。 大きな分子の情報容量は大きくなりますが、分析はより困難になります。 したがって、最も便利なのは中サイズのrRNA分子の分析でした：16S（〜1600ヌクレオチド）。 体系は、比較される生物の類似度係数の計算に基づいています。 rRNA分析に基づいて、現代の体系学は細菌の3つのドメイン、古細菌および真核生物を区別し、ベルギの第10版の体系学、細菌および古細菌もこれに基づいています。



この分野の現在の状況は次のとおりです。 私は、あなたが代替の体系学を望むなら、少し違うの基礎をつくろうと試みました。 なんで？ それにもかかわらず、rRNAの保守性は十分に大きくなく、その一部の一部のみが保守的です。 また、rRNAには非常にさまざまな部分があるため、突然変異の際に個々の断片の切断や挿入があったと仮定して仮定する必要があります。 いわゆる アライメントは非常に大きなエラーで行われます。



その結果、ゲノム配列を比較する際に、まったく変異しておらず、異なる生物でまったく同じ領域を比較する必要があるという結論に達しました。



私たちはそれが何をもたらしたのかを見ています。







長い間まったく変異しないDNAフラグメントはありますか？



しかし、変異をまったく受けておらず、異なる生物でまったく同一のサイトはありますか？ あることが判明しました。 多くのタンパク質（それらのDNAコード）は、同じ属、またはその科に割り当てられた多くの種でもまったく同じです。 しかし、輸送RNA（tRNA）はさらに保守的です。 細菌の染色体には、原則として20種類すべてのtRNAが存在し、それぞれが特定のアミノ酸をタンパク質合成部位に輸送する役割を担っています。 そしてそれらに基づいて、個々の家族だけでなく、クラス全体やタイプの進化関係も追跡することができます。



この研究では、アラニンを輸送するtRNA（Ala tRNA）を1つだけ使用しました。 したがって、進化的つながりに関する結論は最終結果を主張するものではありません。 これを行うには、他のtRNAの結果を比較します。 それにもかかわらず、行われた研究は、細菌の特定の属の近接性に関する多くの規定を概説することを可能にします。 次に、系統樹の観点から密接な進化のつながりを議論できないことが示されます。 これは、バクテリアに水平移動と接合があり、他のアプローチが必要であるという事実によるものです。



ゲノム解析



フォーカスはYersinia（Plague wand）属に焦点を当てますが、研究の結果、Shewanella、Pseudomonas、Vibrio、Erythrobacter、Pseudoalteromonas、Photobacteriumなどのその他（合計109遺伝子座）が検討されました。



バクテリアのtRNAは原則として76ヌクレオチドの一定の長さを持ち、アンチコドンは34.35.36の位置にあります。 DNAのアラニンは、4つのコドン（GCT、GCC、GCA、GCG）によってエンコードされます。 したがって、アンチコドンAGC、GGC、TGC、CGCの4種類のAla tRNAが潜在的に可能です。



しかし、ゲノムで問題となっている細菌の大部分は、Ala tRNA_GCAとAla tRNA_GCCの2種しかありません。 もちろん、例外があります。



分析には、NCBIデータベースで利用可能なシーケンスされたDNAゲノムを使用しました。 同一の非変異tRNAはすべて、一意の識別子（Id）でラベル付けされています。 手動検証による半自動モードで、分析用に作成されたコンピュータープログラムの助けを借りて、 さまざまなタイプのAla tRNAのリストがコンパイルされ、特定のシーケンスされた遺伝子座での位置が特定されました。



結果



調査したすべてのYersinia属の株（9個）は、ゲノムに同じAla tRNA_GCAとId = 00046およびAla tRNA_GCCとId = 00043があります。 この事実に基づいて、これらの株は実際に強い進化的関係を持っていると結論付けることができ、したがってそれらはすべてエルシニア属に属します。



現在、Yersinia属は腸内細菌科に属します。 しかし、行われた分析に基づいて、Ala tRNAの類似性の枠組みの中で、 この関係は不合理です。



Escherichia、Salmonella、Shigella、Citrobacter、Cronobacter、Klebsiella、Pectobacteriumなどの腸内細菌科の古典的な代表例を見ると、それらはすべて完全に異なるAla tRNAを持っています。 つまり、Id = 00011のAla tRNA_GCAとId = 00012のAla tRNA_GCCがあります。 これに基づいて、リストされた腸内細菌科の属を古典的な代表として考えることができます。



そして、Photorhabdus属でのみ、Id = 00046の同じ線Ala tRNA_GCAに沿って、Yersiniaには接続があります。 そのため、 Yersinia属にはさまざまな家族の特徴があります。 そのような属を異なる家族の間の移行属と呼びます。



したがって、エルシニア属が腸内細菌科ファミリーに関連付けられているのは、Id = 00046（および部分的）の非変異Ala tRNA_GCAの1つのコンフィギュレーションのみである場合、エルシニア属がどのファミリーと非変異Ala tRNA_GCCのId = 00043と関連しているのかという疑問が生じますか？



この線に沿った最も直接的な関係は、Shewanella属（科：Shewanellaceae、オーダー：Alteromonadales、クラス：ガンマ-プロテオバクテリア）であることがわかりました。 同時に、それらをId = 00043でつなぐAla tRNA_GCC系統は、シュードモナス属およびビブリオ属にも存在するため、進化論用語で重要です。 これらのすべての関係は、これらの属がクラスレベルでのみ結合される現代の分類から、以下よりも密接です。



同様に、Shewanella属の一部の代表は、Id = 00047の同じAla tRNA_GCAとId = 00043のAla tRNA_GCCを持っています。 YersiniaとShewanellaが1つの回線（Id = 00043）で接続していることがすでにわかっているため、Shewanella属が別の回線（Id = 00047）で接続されているのは興味深いことです。 この行は、進化の観点からも非常に重要であることがわかります。 さらに分岐し、Id = 00047のAla tRNA_GCAは、Vibrio属、Thiomicrospira、Saccharophagusの代表者も所有しています。



これらの接続をさらにトレースすることもできます（図を参照）。 しかし、これらの進化的関係を体系化するためには、それらの記述に対するアプローチをわずかに変更する必要があることは明らかです。







より高い解像度で



結論



この研究で行われたすべての結論はtRNA Alaのみの分析に基づいていることを再度強調する必要があります。もちろん、結果を認識するためには、他のタイプのtRNAの検証が必要です。 しかし、それでも、いくつかの結論を導き、分類法へのアプローチを変更する方法を説明できます。



十分に複雑なのは、どの種がより進化的に古く、どの種がより若いかを決定することです。 しかし、生物界は単純なものから複雑なものに進化したという仮説に基づいて、少なくとも1つの議論の余地のない事実があります。 細菌が2つの染色体を持っている場合、それは1つを持つよりも進化的に若いことは明らかです。



したがって、我々の研究の一部として、Vibrio属はShewanellaやYersiniaよりも若いと自信を持って言うことができます。 そして、VibrioとShewanellaはId = 00047の同一のAla tRNAGCAによって結合されているため、高い確率でVibrio属はShewanellaから派生し、1つの染色体が発生しました。 その後、Vibrio属の他の代表がColwellia属から派生したため、2番目の染色体が発生しました。 これらの染色体を1つの生物に組み合わせた結果、ビブリオ属について話すことができます。ビブリオ属は、ある系統に沿ってシェワネラから、別の系統に沿ってコルウェリアから派生したものです。



したがって、1つの祖先からの降下ではなく、少なくとも2つ以上の降下について話す必要があります。



単染色体のバクテリアでは、進化の方向を決定することはより困難です（誰が若いか、誰が古いか）。 しかし、2染色体の種に基づいて、Id = 00049のAla tRNA_GCAとId = 00043のAla tRNA_GCCを持つVibrio種があるため、言うことができます。 また、Id = 00047のAla tRNA_GCAを持つVibrio種もあり、Id = 00047のAla tRNA_GCAとId = 00043のAla tRNA_GCCが元々存在していました。 そして、それらはシェワネラに含まれていたため、最も古い生物として認識され、ここで考慮される生物の分類の基礎に置かれなければなりません。



それから、シェワネラからエルシニアが来たと結論付けることができます。 Yersiniaから、Photorhabdusが生まれ、腸内細菌科全体が生まれました。 しかし、これは1行だけです。 別の人によると、私たちはすでにどのような出生がシェワネラから派生したかについて言及しました。



複数種の起源は進化の状況を大いに混乱させますが、それについては何もすることはありません-それは種分化の複雑さであり、すべての種が知られていない状況で最も正確に反映する必要があるだけです。



更新しました。 そうそう。 私は完全に忘れてしまい、彼らは話し始めました-なぜ、プログラマーはあらゆる種類の生物学に頭をだます必要があるのでしょうか。 だから私は実際にプログラマーにこのトピックを興味を持ってもらいたかったのです。なぜなら彼らはバイオ計算のためのアルゴリズムを書くことができる人だからです。 より完全な分析を行うだけの力がありません。 突然誰かが慈悲に興味を持つようになるでしょう、個人的に書いてください。