Gruene Bundestag Gesellschaft

FunGene: die funktionale Genpipeline und das Repository.

Ribosomale RNA-Gene sind aus guten Gründen zu den molekularen Standardmarkern für die Analyse mikrobieller Gemeinschaften geworden, darunter das universelle Vorkommen in zellulären Organismen, die Verfügbarkeit großer Datenbanken und die einfache Amplifikation und Analyse der rRNA-Genregion. Als Marker haben rRNA-Gene jedoch einige signifikante Einschränkungen. Die rRNA-Gene sind im Gegensatz zu den meisten proteinkodierenden Genen oft in mehreren Kopien vorhanden.

Die langsame Änderungsrate der rRNA-Gene bedeutet, dass mehrere Arten manchmal identische 16S-rRNA-Gensequenzen aufweisen, während viel mehr Arten identische Sequenzen in den üblicherweise analysierten kurzen 16S-rRNA-Regionen aufweisen.

Darüber hinaus sind die an vielen wichtigen Prozessen beteiligten Gene nicht phylogenetisch kohärent verteilt, möglicherweise aufgrund von Genverlust oder horizontalem Gentransfer. Während rRNA-Gene die am häufigsten verwendeten Marker bleiben, können Schlüsselgene in ökologisch wichtigen Signalwegen, z. B. diejenigen, die am Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf beteiligt sind, wichtige Einblicke in die Zusammensetzung und Funktion von Gemeinschaften liefern, die durch rRNA-Analyse nicht erhältlich sind.

Die Arbeit mit ökofunktionellen Gendaten erfordert jedoch einige Werkzeuge, die über die für die rRNA-Analyse erforderlichen hinausgehen. Um dies anzugehen, bietet unsere Functional Gene Pipeline and Repository (FunGene; http://fungene.cme.msu.edu/) Datenbanken mit vielen gängigen ökofunktionalen Genen und Proteinen sowie integrierte Tools, mit denen Forscher diese Sammlungen durchsuchen und auswählen können Untergruppen für weitere Analysen erstellen, phylogenetische Bäume erstellen, Primer und Sonden auf Abdeckung testen und ausgerichtete Sequenzen herunterladen.

Weitere FunGene-Tools sind darauf spezialisiert, kodierende Gen-Amplikon-Daten zu verarbeiten.

Beispielsweise erzeugt FrameBot Frameshift-korrigierte Protein- und DNA-Sequenzen aus Raw-Reads und findet gleichzeitig die am engsten verwandte Protein-Referenzsequenz. Diese Tools können dazu beitragen, einen besseren Einblick in mikrobielle Gemeinschaften zu gewähren, indem Schlüsselgene, die an wichtigen ökologischen Prozessen beteiligt sind, direkt untersucht werden.

Einführung
Mikroben sind ein wichtiger Bestandteil der Biosphäre der Erde. Sie beeinflussen die Ökosysteme der Erde durch eine Vielzahl von Aktivitäten und bilden eine wichtige Kraft bei der Gestaltung sowohl abiotischer als auch biotischer Umgebungen. Die Untersuchung der Prävalenz und Diversität der an diesen wichtigen ökologischen Prozessen beteiligten Gene – ökofunktionelle Gene – kann uns helfen, die Beziehungen zwischen mikrobiellen Populationen und ihrer Umgebung zu definieren.

Die Amplikon-basierte Analyse von 16S-rRNA-Genfragmenten hat sich als sehr nützlich erwiesen, um ein Gesamtbild der taxonomischen Vielfalt zu liefern, und wurde in einer Vielzahl von Umgebungen verwendet (siehe z. B. Gilbert und Meyer, 2012). Ein Großteil des mikrobiellen Geninhalts, einschließlich der Wege für wichtige Umweltaktivitäten, war jedoch Gegenstand mehrerer horizontaler Gentransfers (siehe z. B. Dagan et al., 2008). Die direkte Abfrage spezifischer funktioneller Gene in Umweltproben durch qPCR- und Amplikon-Erhebungen kann Informationen über die Prävalenz und Diversität wichtiger funktioneller Gene liefern, unabhängig von der Diskontinuität zwischen Organismus und Gen-Phylogenie.

Im Gegensatz dazu können diejenigen Kernprotein-kodierenden Gene, die weniger Gegenstand eines horizontalen Transfers sind und deren Gen-Phylogenie mit der Organismen-Taxonomie kongruent ist, als wichtige phylogenetische Marker dienen.

Diese sind oft in der Lage, feinere Unterschiede aufzulösen als die üblicherweise verwendeten rRNA-Genmarker. Unser Konzept einer mikrobiellen Spezies befindet sich noch in der Entwicklung und ist Gegenstand von Diskussionen, aber die am häufigsten akzeptierte Ad-hoc-Grenze einer mikrobiellen Spezies war eine 70%ige DNA-DNA-Reassoziation (Stackebrandt et al., 2002).

Stackebrandt und Ebers fanden heraus, dass Stämme derselben Art fast immer mehr als 99 % der 16S-rRNA-Genidentität in voller Länge gemeinsam haben, während verschiedene Arten identische 16S-Gensequenzen teilen können (Stackebrandt und Ebers, 2006). ). Die kurzen 16S-Genfragmente, die üblicherweise in der Umwelt-Amplikon-Analyse verwendet werden, haben ein noch geringeres Auflösungsvermögen. Im Gegensatz dazu beträgt der Cutoff des entsprechenden gesamten Orthologs der durchschnittlichen Aminosäureidentität (AAI; siehe Liste der Abkürzungen, Tabelle 1) für eine Art etwa 5 % Unterschied (Konstantinidis und Tiedje, 2005).