Genom ssaków nie jest przypadkową sekwencją, ale wykazuje specyficzną, ewolucyjnie zachowaną strukturę, która przejawia się we wzorze izochore wzór. Izochory, tj. odcinki DNA o odrębnym składzie sekwencyjnym a tym samym specyficzną zawartością GC, powodują chromosomalny wzór prążkowania. Ten podstawowy poziom organizacji genomu jest związany z kilkoma funkcjonalnymi cech funkcjonalnych, takich jak czas replikacji sekwencji DNA. Bogactwo GC w regionach genomowych generalnie odpowiada wczesnemu czasowi replikacji w fazie S. Niedawno wykazaliśmy tę współzależność na poziomie molekularnym dla nagłego przejścia z izochory ubogiej w GC do izochory bogatej w GC w regionie genu NF1. region; ta granica izochorowa oddziela również późną od wczesnej replikacji chromatyny. Teraz przeanalizowaliśmy inny region genomu zawierający cztery izochory oddzielone trzema ostrymi przejściami izochor. Ponownie, izochory bogate w GC zostały okazały się replikować wcześnie, a izochory ubogie w GC późno w fazie S; jedna ze stref czasowych replikacji stref czasowych replikacji składa się z jednego replikonu. Na granicach między izochorami, które nie wykazują żadnych specjalnych elementów sekwencji, maszyneria replikacji maszyny replikacyjne zatrzymały się na kilka godzin. W ten sposób nasze wyniki podkreślają znaczenie izochor jako funkcjonalnych jednostek genomowych oraz przejść między izochorami jako genomowych punktów orientacyjnych o kluczowej funkcji dla organizacji chromosomów i podstawowych właściwości biologicznych. --- Izochory są dużymi regionami o stosunkowo jednorodnym składzie nukleotydów i są obecne w genomach wszystkich ssaków i ptaków. są obecne w genomach wszystkich ssaków i ptaków, które zostały do tej pory zsekwencjonowane. do tej pory zsekwencjonowane. Nowo zsekwencjonowany genom Anolis carolinensis zapewnia pierwszą możliwość ilościowego określenia struktury izochor u gada nieptasiego. Stwierdziliśmy, że Anolis ma najbardziej jednorodny pod względem składu genom spośród wszystkich zsekwencjonowanych amniota do tej pory, jednorodność przewyższającą tę u żaby Xenopus. W oparciu o algorytm Bayesa algorytmu Bayesa, Anolis ma mniejsze i mniej bogate w GC izochory w porównaniu z człowiekiem i kurczakiem. kurczakiem. Korelaty ogólnie związane z izochorami bogatymi w GC, w tym krótsze introny i większa gęstość genów, prawie zniknęły z genomu Anolis. Używając genowego GC jako proxy dla struktury izochor, aby porównać z innymi kręgowcami, stwierdziliśmy, że zawartość GC znacznie spadła w linii linii prowadzącej do Anolis od czasu rozejścia się ze wspólnym przodkiem Reptilia ∼275 mln lat temu, być może odzwierciedlając osłabioną lub odwróconą konwersję genów opartą na GC. konwersja, nieadaptacyjny proces substytucji, który uważa się za ważny w utrzymaniu i trajektorii ewolucji izochor. Nasze wyniki pokazują że skład GC u Anolis nie jest związany z ważnymi cechami struktury genomu, w tym gęstością genów. strukturą genomu, w tym gęstością genów i wielkością intronów, w przeciwieństwie do wzorców obserwowanych w genomach ssaków i ptaków. --- Rozkład zawartości G+C w genomie myszy został zbadany przy użyciu techniki techniki bezokienkowej. Stwierdziliśmy, że: (i). Nagłe zmiany zawartości G+C z regionu bogatego w GC do regionu ubogiego w GC i odwrotnie, występują często w niektórych miejscach wzdłuż sekwencji genomu myszy. (ii). Długie domeny o względnie jednorodnej zawartości G+C (izochory), które zwykle mają ostre granice. mają ostre granice. W związku z tym w genomie myszy zidentyfikowano 28 izochor dłuższych niż 1 Mb. zidentyfikowano w genomie myszy. Wskaźnik jednorodności został użyty do ilościowego określenia zmian zawartości G+C w obrębie izochor. Dokładne granice, rozmiary i zawartości G+C tych izochor zostały określone. Technika bezokienkowa technika obliczania zawartości G+C została również wykorzystana do analizy sekwencji DNA zawierającego mysi region MHC, który ma izochorę ubogą w GC. Ten izochora znajduje się w centralnej części sekwencji z granicami przy 468459 i 812716 bp, gdzie sekwencja jest rozciągnięta od końca centromerowego do końca telomerycznego. Ponadto, analiza segmentu genomu szczura pokazuje, że genom szczura ma również wyraźne struktury izochorowe. --- Najbardziej odbiegający od normy wzór izochor u ssaków został znaleziony u szczurów i myszy; większość innych ssaków posiada inny rodzaj organizacji izochor zwanej "wzorzec ogólny". Jednak wzory izochor pozostają w dużej mierze nieznane u gryzoni innych niż mysz i szczur. Aby zbadać rozkład taksonomiczny wzorów izochor u gryzoni u gryzoni, zsekwencjonowaliśmy gen jądrowy LCAT (lecytyna:cholesterol acylotransferaza) od 17 gatunków gryzoni (co daje łączną liczbę sekwencji LCAT u gryzoni do 19) i porównaliśmy ich zawartość GC w pozycjach trzeciego kodonu i w intronach. intronach. Przeanalizowaliśmy również obszerną bazę danych sekwencji od gryzoni innych niż szczur i mysz. Wszystkie mysie sekwencje LCAT są znacznie uboższe w GC niż wszystkie sekwencje LCAT innych gryzoni. LCAT, a baza danych sekwencji chomików pokazuje dokładnie ten sam wzór wzór izochorowy jak u szczura i myszy. Zatem wszystkie murydy mają ten sam specjalny wzór izochorowy - homogenizacja GC. Sekwencje LCAT są ubogie w GC również u hystricomorphs również, ale baza danych sekwencji świnki morskiej wskazuje, że duże zmiany w zawartości GC występują bez ogólnej modyfikacji wzoru izochory wzór. Ten nowy tryb ewolucji izochor nazywany jest GC reordering. SEKWENCJE LCAT pokazują również, że ewolucja izochor u sciuridów i gliridów jest niekonserwatywna w porównaniu z ewolucją u zwierząt innych niż gryzonie. W ten sposób odkryto co najmniej dwa nowe znaleziono co najmniej dwa nowe wzorce ewolucji izochor. Żaden z badanych do tej pory gryzoni nie podzielał ogólny wzór ssaków. --- Rozkłady poziomów GC w genomie jądrowym gatunku lub jego składowych frakcjach kodują kluczowe informacje na temat strukturalnych i funkcjonalnych właściwości genomu oraz jego ewolucji. genomu i jego ewolucji. Można je obliczyć na podstawie profili absorbancji profili DNA w gradientach gęstości CsCl w stanie równowagi sedymentacyjnej lub poprzez skanowanie długich fragmentów genomów, które zostały w dużej mierze zsekwencjonowane. W niniejszym badaniu zajmujemy się ilościową charakterystyką heterogeniczności składu genomów, mierzonej rozkładem GC fragmentów o stałej długości. Szczególną uwagę na genomy ssaków, ponieważ ich podział na przedziały izochory implikuje dwa poziomy heterogeniczności, wewnątrz-izochorowy (lokalny) i międzyizochorowy (globalny). Podział ten jest naturalny, ponieważ na dużą skalę właściwości składu różnią się znacznie bardziej między izochorami niż wewnątrz nich. Wewnątrzizochorowe rozkłady GC stają się z grubsza gaussowskie dla długich fragmentów, a ich odchylenia standardowe ich odchylenia standardowe zmniejszają się powoli wraz ze wzrostem długości fragmentu, w przeciwieństwie do losowych sekwencji. Efekt ten można wyjaśnić korelacjami "dalekiego zasięgu korelacjami dalekiego zasięgu, często pomijanymi, które są obecne wzdłuż izochor. --- Teoria izochor przedstawia genomy ciepłokrwistych kręgowców jako mozaikę długich regionów genomowych, które charakteryzują się stosunkowo jednorodną zawartością GC zawartość. Wobec braku danych genomowych, zawartość GC w pozycjach trzeciego kodonu genów kodujących białka (GC3) była powszechnie stosowana jako wskaźnik zawartości GC w izochorach. izochorach. Co dziwne, w erze postgenomowej GC3 jest nadal czasami używany jako zamiennik dla składu GC izochor. Tutaj wykorzystujemy sekwencje genowe i genomowe od człowieka, szympansa, krowy, myszy, szczura, kurczaka i danio pręgowanego, aby pokazać, że GC3 wyjaśnia tylko bardzo niewielką część zmienności zawartości GC w długich sekwencjach genomowych w długich sekwencjach genomowych flankujących geny (GCf), a niewielka korelacja między GC3 i GCf szybko zanika wraz z odległością od genu. Współczynnik współczynnik zmienności GC3 okazał się znacznie większy niż GCf i dlatego wartości GC3 i GCf nie są ze sobą porównywalne. Porównania ortologicznych par genów od 1) człowieka i szympansa oraz 2) myszy i szczura i szczura wykazują silne korelacje między ich wartościami GC3, ale bardzo słabe korelacje między ich wartościami GCf. Wnioskujemy, że zawartość GC pozycji trzeciego kodonu nie może być używana jako stand-in dla składu izochorycznego. --- Genomy kręgowców składają się z izochor, które są stosunkowo długie (>100 kb). regiony o stosunkowo jednorodnej (bogatej w GC lub AT) bazie i raczej ostrymi granicami z sąsiednimi izochorami. Ssaki i żyjące archozaury (ptaki i krokodyle) mają heterogeniczne genomy, które zawierają bardzo bogate w GC izochory. W przeciwieństwie do nich, genomy płazów i ryb są bardziej jednorodne. ryb są bardziej jednorodne i mają niższą ogólną zawartość GC. Ponieważ DNA o wyższej zawartości GC jest bardziej termostabilne, podwyższona zawartość GC w genomach ssaków i archozaurów DNA ssaków i archozaurów została uznana za adaptację do wyższych temperatur ciała. wyższych temperatur ciała. Hipotezę tę można przetestować, badając strukturę izochor w kladzie gadów, który obejmuje archozaury, testudyny (żółwie) i lepidozaury (jaszczurki i węże), ponieważ gady wykazują różne rozmiary ciała, tempo metabolizmu i wzorce termoregulacji. Niniejsze badanie koncentruje się na analizie porównawczej nowego zestawu wyrażonych genów żółwia czerwonolicego i ortologów genów żółwia u ssaków (człowiek, mysz, pies i opos), archozaurów (kurczak i aligator) oraz płazów (zachodni pazurkowiec). genomach płazów (zachodnia żaba szponiasta). Dane EST (expressed sequence tag) z z biblioteki cDNA żółwia wzbogacone o geny o wyspecjalizowanych funkcjach (geny rozwojowe) (geny rozwojowe) wykazały, że wykorzystanie zawartości GC w pozycji trzeciego kodonu do zbadania struktury izochor wymaga starannego rozważenia typów badanych genów. badanych genów. Geny o wyższej ekspresji (np. geny gospodarza) są bardziej częściej są bogate w GC niż geny o wyspecjalizowanych funkcjach. Jednakże, zestaw genów żółwia o wysokiej ekspresji wykazał, że genom żółwia ma zawartość GC, która jest pośrednia między ubogimi w GC płazami a bogatymi w GC ssakami i archozaurami. ssakami i archozaurami. Stwierdzono silną korelację między zawartością GC we GC we wszystkich genach żółwi a zawartością GC w genach innych kręgowców, przy czym nachylenie linii linii opisującej tę zależność wskazuje również, że struktura izochore żółwi jest pośrednia między strukturą płazów i innych bezkręgowców. amniota. Dane te są zgodne z niektórymi hipotezami termicznymi ewolucji izochor ewolucji izochor, ale uważamy, że wiarygodny zestaw modeli ewolucji izochor nadal obejmuje różne modele. Dane te zwiększają ilość danych genomicznych dostępnych od gadów, na których mogą opierać się przyszłe badania genomiki gadów. budować. --- Ludzki genom składa się z długich odcinków DNA o różnej zawartości GC, zwanych izochorami lub domenami z zawartością GC. Granica między dwiema domenami w ludzkim regionie genu NF1 jest również granicą między domenami i późno replikujących się sekwencji oraz regionów o wysokiej i niskiej częstotliwości rekombinacji. częstotliwościami rekombinacji. Doskonała konserwacja rozkładu zawartości GC w tym regionie między człowiekiem a myszą pokazuje, że siły stabilizujące zawartość GC muszą działać regionalnie na drobną skalę w tym locus. Aby dalej wyjaśnić naturę tych sił, informujemy tutaj o spektrum ludzkich SNP i podstawień par zasad między człowiekiem a szympansem. Wyniki pokazują że wskaźnik mutacji zmienia się dokładnie w strefie przejściowej zawartości GC z niskich wartości w sekwencjach ubogich w GC do wysokich wartości w sekwencjach bogatych w GC. Zawartość GC w sekwencjach ubogich w GC można wytłumaczyć stronniczością na korzyść mutacji GC > AT podczas gdy zawartość GC w segmencie bogatym w GC może wynikać z tendencyjnej utrwalenia na korzyść substytucji AT > GC. To odchylenie utrwalania może być wyjaśnione przez bezpośrednią selekcję przez zawartość GC lub przez tendencyjną konwersję genów. --- Ludzki genom składa się z dużych segmentów sekwencji o dość jednorodnej zawartości GC, tj. zawartość GC, a mianowicie izochory, które zostały powiązane z wieloma ważnymi funkcjami. funkcjami; biologiczne implikacje większości granic izochor pozostają jednak nieuchwytne, częściowo z powodu trudności w określeniu tych granic w wysokiej rozdzielczości. rozdzielczości. Korzystając z algorytmu segmentacji opartego na dywergencji kwadratowej, ponownie określiliśmy wszystkie 79 granic wcześniej zidentyfikowanych ludzkich izochor w rozdzielczości rozdzielczości pojedynczego nukleotydu, a następnie porównaliśmy współrzędne granic z innymi cechami genomu. innymi cechami genomu. Stwierdziliśmy, że 55,7% granic izochor pokrywa się z terminami elementów powtarzalnych; 45,6% granic izochor pokrywa się z terminami wysoce konserwatywnych sekwencji na podstawie dopasowania 17 genomów kręgowców, tj, wysoce konserwowana sekwencja genomu przełącza się na mniej lub mniej konserwowaną na granicy izochory granicy izochor; niektóre granice izochor pokrywają się z nagłą zmianą rozkładu wysp CpG (należy zauważyć, że jedna granica może wiązać się z więcej niż jedną cechą genomu). cechą genomu). Ponadto sekwencje wokół granic izochor są wysoce konserwowane. konserwowane. Wydaje się rozsądne, aby wywnioskować, że granice wszystkich badanych tutaj byłyby miejscami synchronizacji replikacji w ludzkim genomie. Wyniki te sugerują możliwą kluczową rolę granic izochor i mogą pogłębić nasze zrozumienie organizacji ludzkiego genomu. --- Ludzki genom jest podzielony na izochory, duże odcinki (>> 300 kb) genomowego DNA z mniej lub bardziej stałą zawartością GC. Modele mutacyjne/neutralistyczne i modele selekcjonistyczne zostały zaproponowane w celu wyjaśnienia ich istnienia. Główną krytyką modeli mutacyjnych jest to, że nie mogą one wyjaśnić wyższej zawartości GC w czterokrotnie redundantnych cichych miejscach w egzonach (GC4) niż w flankujących intronach (GCi). intronach (GCi). Rzeczywiście, stwierdzono, że trudno jest wyobrazić sobie wyjaśnienie wyjaśnienie tendencyjności mutacyjnej, ponieważ trudno jest zobaczyć, w jaki sposób enzymy naprawcze mogą działać inaczej w eksonach i intronach je otaczających. Jednak to odrzucenie, zauważamy ignoruje wpływ elementów transpozycyjnych (TE), które są głównym składnikiem intronów i mają tendencję do składnikiem intronów i mają tendencję do powodowania, że mają one zawartość GC inną niż (zwykle niższa niż) podyktowana wyłącznie procesami mutacji punktowych. Ponieważ TE nie mają tendencji do wstawiania się na krańcach intronów, model ten przewiduje, że zawartość GC na krańcach intronów powinna być bardziej podobna do zawartości GC4 niż wnętrza intronów. Pokazujemy, że jest to prawdą. Model również poprawnie przewiduje, że małe introny powinny mieć skład bardziej podobny do GC4 niż duże introny. Dochodzimy do wniosku, że logika poprzedniego odrzucenia modeli neutralistycznych jest niebezpieczna. --- Na sekwencjach izochorowych przeprowadzane są trzy analizy statystyczne/matematyczne: analiza spektralna, analiza wariancji i analiza segmentacyjna. Analiza spektralna pokazuje, że istnieją fluktuacje zawartości GC w różnych skalach długości w sekwencjach izochorowych. Analiza wariancji pokazuje, że hipoteza zerowa (średnia wartość grupy zawartości GC pozostaje taka sama wzdłuż sekwencji) może, ale nie musi zostać odrzucona dla sekwencji izochorowej, w zależności od wielkości podokna w których pobierane są próbki zawartości GC, oraz rozmiaru okna, w którym definiowani są członkowie grupy. członkowie grupy są zdefiniowani. Analiza segmentacji pokazuje, że istnieją silniejsze silniejsze oznaki zmian zawartości GC na granicach izochor niż w obrębie izochory. Analizy te wspierają pojęcie sekwencji izochor, ale odrzucają założenie, że sekwencje izochor założenie, że sekwencje izochorowe są jednorodne na poziomie podstawowym. Sekwencja sekwencja izochorowa może przejść test jednorodności, gdy fluktuacje zawartości GC przy mniejszych skalach długości są ignorowane lub uśredniane. --- Struktura izochorowa genomu jest obserwowalna poprzez zmienność zawartości G+C (guanina i cytozyna) w obrębie chromosomów i pomiędzy nimi. Opisywanie struktury izochor genomów kręgowców jest trudnym zadaniem, a wiele metod obliczeniowych zostało opracowanych i metod obliczeniowych zostało opracowanych i zastosowanych. Tutaj stosujemy dobrze znany algorytm optymalnej segmentacji metodą najmniejszych kwadratów. Algorytm znajduje najlepszy podział sekwencji na k części, tak aby segmenty były wewnętrznie jak najbardziej jednorodne. Pokazujemy, jak ta prosta metoda metoda segmentacji może być zastosowana do odkrywania izochor, wykorzystując jako dane wejściowe zawartość G+C przesuwanych okien na sekwencji. Aby ocenić wydajność tej techniki segmentacji w wykrywaniu izochor, przedstawiamy wyniki segmentacji wcześniej badanych regionów izochorowych ludzkiego genomu. Szczegółowe wyniki dotyczące MHC, na częściach chromosomów 21 i 22 oraz na regionie 100 Mb z chromosomu 1 są podobne do wcześniejszych wyników. chromosomu 1 są podobne do wcześniej sugerowanych struktur izochor. Podajemy również wyniki segmentacji wszystkich 22 autosomalnych chromosomów ludzkich. Zaletą Zaletą tej techniki jest to, że można zasadniczo uniknąć nadmiernej segmentacji regionów bogatych w G+C. uniknąć. Dzieje się tak, ponieważ technika ta koncentruje się na większych globalnych, a nie zamiast na mniejszych lokalnych różnicach w składzie sekwencji. Efekt ten jest dodatkowo dodatkowo podkreślony przez transformację logarytmiczną danych, która obniża wysoką wariancję która jest obserwowana w regionach bogatych w G+C. Wnioskujemy, że optymalna metoda segmentacji metodą najmniejszych kwadratów metoda segmentacji jest wydajna obliczeniowo i daje wyniki zbliżone do wcześniejszych biologicznie motywowanych struktur izochorowych.
Czy zawartość GC różni się znacząco w obrębie danego izochoru?
Izochory to stosunkowo długie regiony o względnie jednorodnej zawartości GC i raczej ostrych granicach z sąsiednimi izochorami. Skład zasad, a tym samym zawartość GC, może różnić się między różnymi izochorami, ale jest mniej więcej spójny w obrębie danego izochoru.