Филостратиграфический анализ генных сетей заболеваний человека

Филостратиграфический анализ – это подход к исследованию эволюции генов, позволяющий определить время возникновения генов за счет анализа филогенетических деревьев организмов, обладающих ортологичными к исследуемому генами. Такой анализ может открыть важные этапы в эволюции как организма в целом, так и групп функционально связанных генов, в частности генных сетей. В дополнение к исследованию времени возникновения гена изучается уровень его генетической изменчивости и то, какому типу отбора подвержен ген по отношению к наиболее близкородственным организмам. С помощью приложения Orthoscape были проанализированы генные сети из базы данных KEGG Pathway, Human Diseases, ассоциированные с заболеваниями человека. Выявлено, что большинство генов, описанных в генных сетях, подвержены стабилизирующему отбору, обнаружена высокая достоверная корреляция между временем возникновения гена и уровнем генетической изменчивости, которой он подвержен, – чем моложе ген, тем выше уровень генетической изменчивости. Было также показано, что среди проанализированных генных сетей наибольшая доля эволюционно молодых генов обнаружена в сетях, связанных с заболеваниями иммунной системы (65 %), а эволюционно древних генов – в сетях, ответственных за формирование зависимостей человека от веществ, вызывающих привыкание к химическим соединениям (88 %); генные сети, связанные с развитием инфекционных заболеваний, вызванных паразитами, достоверно обогащены эволюционно молодыми генами, а генные сети, ответственные за развитие специфических типов рака, – эволюционно древними генами.

эволюция, филостратиграфия, ортолог, генная сеть, возраст гена

1. Bell E.A., Boehnke P., Harrison T.M., Mao W.L. Potentially biogenic carbon preserved in a 4.1 billion-year-old zircon. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015;112:14518-14521. https://doi.org/10.1073/pnas.1517557112.

2. Cerami E.G., Gross B.E., Demir E., Rodchenkov I., Babur Ö., Anwar N., Schultz N., Bader G.D., Sander C. Pathway commons, a web resource for biological pathway data. Nucleic Acids Res. 2011;39: 685-690. https://doi.org/10.1093/nar/gkq1039.

3. Chatterjee H.J., Ho S.Y., Barnes I., Groves C. Estimating the phylogeny and divergence times of primates using a supermatrix approach. BMC Evol. Biol. 2009;9:259. https://doi.org/10.1186/1471-2148-9-259.

4. Datta P.M. Earliest mammal with transversely expanded upper molar from the Late Triassic (Carnian) Tiki Formation, South Rewa Gondwana Basin, India. J. Vertebr. Paleontol. 2005;25:200-207. https://doi.org/10.1671/0272-4634(2005)025(0200:EMWTEU)2.0.CO;2.

5. Diogo R. The Origin of Higher Clades: Osteology, Myology, Phylogeny and Evolution of Bony Fishes and the Rise of Tetrapods. New York: CRC Press, 2007.

6. Domazet-Lošo T., Brajković J., Tautz D. A phylostratigraphy approach to uncover the genomic history of major adaptations in metazoan lineages. Trends Genet. 2007;23:533-539. https://doi.org/10.1016/j.tig.2007.08.014.

7. Domazet-Lošo T., Tautz D. Phylostratigraphic tracking of cancer genes suggests a link to the emergence of multicellularity in metazoa. BMC Biol. 2010;8:66.

8. Dunn R.H., Rose K.D., Rana R.S., Kumar K., Sahni A., Smith T. New euprimate postcrania from the early Eocene of Gujarat, India, and the strepsirrhine-haplorhine divergence. J. Hum. Evol. 2016;99: 25-51.

9. Galaktionov V.G. Immunology: a Guide for University Students Studying in Track 510600 “Biology” and Biological Specialties. Moscow: Academia Publ., 2004. (in Russian)

10. Harrison T. Catarrhine origins. In: A Companion to Paleoanthropology. New York: Blackwell Publ. Ltd., 2013;376-396.

11. Hey J. The ancestor’s tale A pilgrimage to the dawn of evolution. J. Clin. Invest. 2005;115:1680-1680.

12. Kanehisa M., Furumichi M., Tanabe M., Sato Y., Morishima K. KEGG: New perspectives on genomes, pathways, diseases and drugs. Nucleic Acids Res. 2017;45:D353-D361.

13. Khaitov R.M. Immunology: a Guide for Students of Medical Universities. Мoscow, 2016. (in Russian)

14. Khakoo S.I. HLA and NK cell inhibitory receptor genes in resolving hepatitis C virus infection. Science. 2004;305(5685):872-874.

15. Kolchanov N.A., Ignat’eva E.V., Podkolodnaya O.A., Likhoshvay V.A., Matushkin Yu.G. Gene Networks. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2013;17(4/2):833-850. (in Russian)

16. Kumar V., Hallström B.M., Janke A. Coalescent-based genome analyses resolve the early branches of the euarchontoglires. PLoS One. 2013;8(4):e60019.

17. Leander B.S. Predatory protists. Curr. Biol. 2020;30:R510-R516.

18. Li W.-H. Unbiased estimation of the rates of synonymous and nonsynonymous substitution. J. Mol. Evol. 1993;36(1):96-99.

19. Li W.H., Wu C.I., Luo C.C. A new method for estimating synonymous and nonsynonymous rates of nucleotide substitution considering the relative likelihood of nucleotide and codon changes. Mol. Biol. Evol. 1985;2(2):150-174.

20. Liebeskind B.J., McWhite C.D., Marcotte E.M. Towards consensus gene ages. Genome Biol. Evol. 2016;8(6):1812-1823.

21. Luo Z.-X., Yuan C.-X., Meng Q.-J., Ji Q. A Jurassic eutherian mammal and divergence of marsupials and placentals. Nature. 2011;476: 442-445.

22. Maloof A.C., Porter S.M., Moore J.L., Dudas F.O., Bowring S.A., Higgins J.A., Fike D.A., Eddy M.P. The earliest Cambrian record of animals and ocean geochemical change. Geol. Soc. Am. Bull. 2010a; 122:1731-1774.

23. Maloof A.C., Rose C.V., Beach R., Samuels B.M., Calmet C.C., Erwin D.H., Poirier G.R., Yao N., Simons F.J. Possible animal-body fossils in pre-Marinoan limestones from South Australia. Nat. Geosci. 2010b;3:653-659.

24. Montojo J., Zuberi K., Rodriguez H., Kazi F., Wrig G., Donaldson S.L., Morris Q., Bader G.D. GeneMANIA cytoscape plugin: Fast gene function predictions on the desktop. Bioinformatics. 2010;26:29272928.

25. Mustafin Z.S., Lashin S.A., Matushkin Y.G., Gunbin K.V., Afonnikov D.A. Orthoscape: a cytoscape application for grouping and visualization KEGG based gene networks by taxonomy and homology principles. BMC Bioinformatics. 2017;18(S1):1-9.

26. Nei M., Gojobori T. Simple methods for estimating the numbers of synonymous and nonsynonymous nucleotide substitutions. Mol. Biol. Evol. 1986;3:418-426.

27. Nersisyan L., Samsonyan R., Arakelyan A. CyKEGGParser: tailoring KEGG pathways to fit into systems biology analysis workflows. F1000Res. 2014;3:145.

28. Pamilo P., Bianchi N.O. Evolution of the Zfx and Zfy genes: rates and interdependence between the genes. Mol. Biol. Evol. 1993;10(2): 271-281.

29. Sasaki K., Tsutsumi A., Wakamiya N. Mannose-binding lectin polymorphisms in patients with hepatitis C virus infection. Scand. J. Gastroenterol. 2000;35(9):960-965.

30. Scerri E.M.L., Thomas M.G., Manica A., Gunz P., Stock J.T., Stringer C., Grove M., Groucutt H.S., Timmermann A., Rightmire G.P., D’Errico F., Tryon C.A., Drake N.A., Brooks A.S., Dennell R.W., Durbin R., Henn B.M., Lee-Thorp J., DeMenocal P., Petraglia M.D., Thompson J.C., Scally A., Chikhi L. Did our species evolve in subdivided populations across Africa, and why does it matter? Trends Ecol. Evol. 2018;33(8):582-594.

31. Schrenk F., Kullmer O., Bromage T. The earliest putative homo fossils. In: Handbook of Paleoanthropology. Berlin; Heidelberg: Springer, 2014;1-19.

32. Shannon P., Markiel A., Ozier O., Baliga N.S., Wang J.T., Ramage D., Amin N., Schwikowski B., Ideker T. Cytoscape: a software environment for integrated models of biomolecular interaction networks. Genome Res. 2003;13(11):2498-2504.

33. Shu D.-G., Luo H.-L., Conway Morris S., Zhang X.-L., Hu S.-X., Chen L., Han J., Zhu M., Li Y., Chen L.-Z. Lower Cambrian vertebrates from south China. Nature. 1999;402(6757):42-46.

34. Stepanov V.A. Evolution of genetic diversity and human diseases. Russ. J. Genet. 2016;52(7):746-756.

35. Szklarczyk D., Gable A.L., Lyon D., Junge A., Wyder S., Huerta-Cepas J., Simonovic M., Doncheva N.T., Morris J.H., Bork P., Jensen L.J., von Mering C. STRING v11: protein-protein association networks with increased coverage, supporting functional discovery in genome-wide experimental datasets. Nucleic Acids Res. 2019; 47(D1):D607-D613.

36. Yang Z. PAML 4: Phylogenetic analysis by maximum likelihood. Mol. Biol. Evol. 2007;24(8):1586-1591.

37. Yang Z., Nielsen R. Estimating synonymous and nonsynonymous substitution rates under realistic evolutionary models. Mol. Biol. Evol. 2000;17(1):32-43.

38. Zheleznikova G.F. Infection and immunity: strategies from both sides. Med. Immunol. 2014;8(5-6):597-614. https://doi.org/10.15789/1563-06252006-5-6-597-614. (in Russian)