Untersuchung additiver und ersetzender horizontaler Genübertragungen mithilfe von Phylogenien und gesamten Genomen

Zusammenfassung Der horizontale Genübergang (HGT) ist grundlegend für die mikrobielle Evolution und Anpassung. Wenn ein Gen horizontal übertragen wird, kann es sich entweder als neues Gen im Empfänger-Genom hinzufügen (möglicherweise nicht-homologe Gene verdrängend) oder ein vorhandenes homologes Gen ersetzen. Derzeit unterscheiden Studien normalerweise nicht zwischen „additiven“ und „ersetzenden“ HGTs, und ihre relativen Häufigkeiten, Integrationsmechanismen und spezifischen Rollen in der mikrobiellen Evolution sind wenig verstanden. In dieser Arbeit entwickeln wir ein neuartiges rechnergestütztes Framework zur großflächigen Klassifikation von HGTs als entweder additive oder ersetzende. Unser Framework nutzt kürzlich entwickelte phylogenetische Ansätze zur HGT-Detektion und klassifiziert HGTs, die zwischen terminalen Kanten abgeleitet werden, basierend auf der Genreihenfolge entlang der Genome und phylogenetischen Beziehungen zwischen den betrachteten Mikrobenspezies. Die resultierende Methode, genannt DART, ist hochgradig anpassbar und skalierbar und kann einen großen Teil der abgeleiteten HGTs mit hoher Zuversicht und statistischer Unterstützung klassifizieren. Unsere Anwendung von DART auf einen großen Datensatz von Tausenden von Genfamilien aus 103 Aeromonas-Genomen liefert Einblicke in die relativen Häufigkeiten, funktionalen Neigungen und Integrationsmechanismen von additiven und ersetzenden HGTs. Unter anderem stellen wir fest, dass (i) die relative Häufigkeit von additiven HGTs mit zunehmendem phylogenetischen Abstand zunimmt, (ii) ersetzende HGTs bei kürzeren phylogenetischen Abständen dominieren, (iii) additive und ersetzende HGTs auffallend unterschiedliche funktionale Profile haben, (iv) homologe Rekombination in flankierenden Regionen eines neuen Gens ein häufiger Integrationsmechanismus für additive HGTs sein kann, und (v) Phagen und mobile genetische Elemente wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Erleichterung von additiven HGTs spielen.