3-Laboratoriya mashg’uloti. Mavzu

3-Laboratoriya mashg’uloti.


Mavzu: Ko’pchilik taqqoslanishlar va filogenetik daraxtni yaratish. Clustal-W va T-Coffee dasturlari. Ma’lumotlar tahlili.
Prokariotlar orasida genlarning keng almashinuvi, gorizontal geni uzatish (HGT) deb nomlanuvchi,ko’pincha Hayot daraxtini (TOL) “yo’q qiladi” deb hisoblanadi.Darhaqiqat,umuman olganda genlar turli xil evolutsion tarixga ega ekanligi aniq bo’ldiShunga qaramay “TOL” konseptsiyasini isloh qilish va filogenetik “Hayto o’rmoni” (EST) ning statistik markaziy yo’nalishi sifatida haqiqiyligini saqlab qolish imkoniyati saqlanib qolmoqda. “Hayot daraxti” (TOL) birinchi Darvinning asarida tasvirlangan.1850 –yillarda Gekkel tomonidan nashr etilgan birinchi va dastlabki dastlabki daraxtlardan boshlab Tsukerkandl,Poling va Margoliash tomonidan molekulyar evolutsion tahlil asoslariga qadar 1960-yillarning boshlarida filogenetik daraxtlar fenotipini taqqoslash asosida qurilgan.
Shunday qilib,har bir qurilgan daraxt dizayni bo’yicha “organizm” yoki “tur” daraxti edi,ya’ni tegishli turlarning evolutsion tarixini aks ettiradigan daraxt qabul qilindi. Molekulyar filogeniyaning tushunchalari va dastlabki usullari ishlab chiqilgandan keyin ham ko’p yillar davomida u oddiygina daraxt turlari qurilishiga ,boshqa ehtimol kuchli va aniq yondashuv sifatida ishlatilgan.”TOL” tushunchasi buzilmagan holda saqlanib qoldi.”TOL” hech bo’lmaganda printsipial jihatdan uyali hayot shakllarining barcha nasllari o’rtasidagi evolutsion munosabatlarni aniq ifodalaydi.r-RNK ning universial saqlanib qolishi Woese va boshqalar boshlagan filogenetik tahlil uchun tanlov molekulalari sifatida foydalanish (Peys va boshqalar) 1986-yil, Woese 1987) hayotning yangi domeni,arxeaning kashf etilishiga olib keldi va “TOL” ning aniq topologiyasi ko’zda tutilganiga umidlarni kuchaytirdi. Ammo to’liq genomni tartiblash va tahlil qilis davri boshlanishidan oldin ham,prokariotlarda ba’zi umumiy va biologik ahamiyatga ega genlar gorizontal gen uzatish (HGT) deb nomlanuvchi turlar o’rtasida bir necha amashinuvlarni boshdan kechirganligi ma’lum bo’ldi,Shu sababli,”TOL” ga alternativ sifatida “hayot tarmog’I” g’oyasi mavjud.Qiyosiy genomika yutuqlari shuni ko’rsatadiki,turli xil genar ko’pincha aniq daraxt topologiyalariga ega va shunga ko’ra “HGT” prokaryotlar- bakteriyalar va arxeolar evolutsiyasida istisno emas,balki qoidadir(Dagan va boshqalar 2008; Dulitl 1999:Gorgarten va Taunsend 2005)
Prokariotlar evolutsiyasidagi ushbu asosiy tendensiyaning namunasi sifatida massiv HGT ning ba’zi ajoyib misollarini eslatib o’tishga to’g’ri keladi.Birinchi holda,mikrobial genetika va molekulyar biologiyaning eng ko’p ishlatiladigan modeli- ichak Escherichia coli bakteriyasi, E coli va boshqa ketma- ket mikrobial genomlar to’g’risidagi ba’zi asosiy ma’lumotlarni Milliy sog’liqni saqlash institutidagi Milliy biotexnologiya markazi veb-saytida olish mumkin.E colining eng yaxshi o’rganilgan laboratoriya izolotsiyasi ko’pincha molekulyar biologiya o’tkazilgan tajriba K 12 deb nomlanadi.
K 12 genomiga 4226 izohlangan proteinli kod berilgan genlar kiradi( masalan,ketma-ket kelgan genomning aniq soni haqida har doim ham aniqlik yo’q masalan,ba’zi bir kichik genlar oqsillarni kodlayotgani yoki yo’qligi noma’lumligicha qolmoqda: ammo,taxmin yetarlicha hozirgi muhoka uchun).Laboratoriya E coli shtammlarining bir necha ketma-ket genomlari taxminan bir xil genlarga ega.Bunga javoban,E coli patogen shtammlarining genomlari odatda ancha katta bo’lib,bitta shtammiga ega O 157:H7,5315 izotlangan oqsillarni kodlaydi E colining barcha shtammlarida umumiy genlarning nukleotidlar ketma-ketligi bir xil yoki bir yoki ikkita nukleotidning almashinuvi bilan faqlanadi.
Shiddatli kontrastda, laboratoriya va patogen shtammlaring genomlari o’rtasidagi farq genomning 20 foizini tashkil etuvchi bir nechta “patogenlik orollarida” joylashgan.Patogenlik orollari odatda toksinlar,sekretsiya tizimlari va profilaktika komponentlari kabi bakterial patogenezda qatnashadigan genlarni o’z ichiga oladi.Patogenlik orollari E coli genomida bo’lgan ammo K 12 va boshqa laboratoriya shtammlarida yo’q qilingan deb tasavvur qilish mumkin.Biroq orollardagi gen tarkibi patogen shtammlaridan keskin farq qiladi,shuning uchun E coli ni uch tomonlama taqqoslashda genlarning atigi 40 foizi genlarga bo’linadi.
Shunday qilib, bitta mumkin bo’lgan xulosa shundan iboratki,patogenlik orollari bakterial genlar orasida kengaytirilgan HGT orqali tarqalib,yashab tuva tanlangan organizmda tegishli bakterial patogenlarning tarqalishi uchun tanlanadi.
Ikkinchi misol HGT ni ancha katta evolutsion masofada,ya’ni prokariotlarning ikkita “domenlari”-bakteriyalar va arxealar orasida (Peys va boshqalar 1986,Woese 1987) o’z ichiga oladi. Mikroblarning ushbu ikkita aniq sohalari o’rtasidagi farq r-RNK va boshqa saqlanib qolgan genlarning filogenetik tahlili orqali aniqlanadi va DNK replikasiyasi tizimlari va tegishli organizmlarning membrana apparatlari o’rtasidagi asosiy farq lar bilan qo’llab quvvatlandi.
Bakteriyalaning birinchi ketma –ket ketma –ket genomlarini qiyosiy tahlil qilish va arxeeya ikkala domen o’rtasidagi dixotomiyani qo’llab quvatladi bakterial genlarda kodlangan oqsil sekresiyalarning aksariyati boshqa bakteriyalar va ular bilan filogenetik daraxtlardagi klasterlarga o’xshash o’xshashlikni ko’rsatmoqda arxaeal oqsillar uchun evolutsion aloqalarni ko’rish mumkin.Shu bilan birga Aquifex aeolicus va gipertemofil bakteriyalarning birinchi ketma- ket genomlari tahlili Termotoga maritima,bu odatda yaqqol ajralib chiqdi,ushbu genlarda kodlangan protein to’plamalari “kimyoviy” ekanligi aniqlandi,ya’ni ular taxminan 80% tipik bakterial oqsillardan va “arxaeal” Dan aniq ko’rinadigan taxminan 20 % iqsillardan iborat ketma-ketlik o’xshashligi va filogenetik tahlil.Ushbu bakteriyalar HGT orqali ko’plab arxaeal genlarni qo’lga kiritgan degan xulosaga kelish mumkin.Retrospektda bu topilma hayratlanarli ko’rinmasligi mumkin,chunki bakterial vaarxaeal gipertermofillar bir xil muhitda ( masalan,okean tubidagi gidrotermal tuynuklar) birga yashab,genlar almashish uchun keng imkoniyatlarga ega.Lekin arxaeal va bakterial genlar bekor nisbatlarda bilan o’xshash kummeriyalar genom tarkibi keyinchalik kabi mezofil arxea kashf qilindi.
Prokariotlarning qiyosiy genomikasi tomonidan o’tkazilgan va shunga o’xshash kuzatuvlardan tashqari ,HGT ayniqsa,eukariotlar evolutsiyasida hal qiluvchi ahamiyatga ega deb hisoblanadi,ayniqsa mitoxondriya va xloroplastlarning ajdodlari genomidan ko’plab genlar kelib chiqqan endosimbiotik hodisalar natijasida yadro genomlariga o’tkazildi(Embley va Martun 2006).Ushbu topilmalar shuni ko’rsatadiki,bitta gen daraxti (yoki har qanday gen daraxtlari guruhi) butun genom evolutsiyasini aniq tasvirlay olmaydi,boshqacha qilib aytganda qiyosiy genomika natijalari uyali hayot shakllarining evolutsiyasini to’liq aks ettiruvchi mukammal TOL-mavjud emasligini ko’rsatadi.
HGT –hech bo’lmaganda prokariotlar orasida eng katta evolutsion hodisa ekanligini anglash TOL kontseptsiyasining inqiroziga olib keldi,bu ko’pincha evolutsion biologiyada paradigma siljishi sifatida qaraladi(Dulittle 1999)
Albatta HGT sabab bo’lgan gen filogenlari o’rtasidagi nomuvofiqlik,ammo keng tarqalgan bo’lsa ham ,barcha hujayrali hayot shakllari hujayralar bo’linmasining uzluksiz daraxtlari bilan bog’langanligini o’zgartirmaydi(Omnis cellula Rudolf Virchov) u evolutsiyaning dastlabki bosqichlariga qaytadi va faqat prokariotlar emas,balki eulariotlar evolutsiyaning kaliti bo’lgan endosimbioz hodisalari bilan buziladi.
Shunday qilib taqqoslanadigan genomika davridagi TOL kontsepysiyasining qiyinchiliklari TOL ga taalluqlidir,chunki bu ko’p genlar va genomlarning filogenetik tahlili ko’pincha “filogenomika” deb nomlangan yondashuv ,filogenetik tadqiqotlar hozirgi kunda olib borilayotganini ta’kidlash uchun to’liq genomlarining ko’lami.Shunga ko’ra HGT “TOL ni o’chiradi” degan davo keng qamrovli HGT hujayralarining haqiqiy daraxtidan molekulyar filogeniyalarni butunlay parchalash imkoniyatiga ega ekanligini anglatadi.Ammo bunday ajratish aniq biologik izohga ega,chunki genlarning evolutsion tarixi ham kodlangan molekulyar funksiyalarningevolutsiyasini tasvirlaydi.
Taqqoslash genomikasi davrida evolutsion biologlarning fikrlari taqqoslanadigan genomika asrida pozitsiyalarning barcha spektrini qamrab oladi 1) evolutsiya biologiyasi uchun HGT ning muhim ahamiyatini inkor etishdan
2)TOL konseptsiyasini “o’rtacha “ qayta ko’rib chiqsh
3)TOL eskirgan deb topilgan haqiqiqy yo’q qilish (Dulittle and Bapteste 2007).Turli xil HGT hodisalari to’g’risida to’plangan ma’lumotlar tezda birinchi “anti –HGT” pozitsiyasini aniq qilib bo’lmaydi.O’rta va o’rtacha darajadagi yondashuv sharoitida,individual gen daraxtlarining topologoyalari o’rtasidagi barcha tafavutlarga qaramay TOL hali ham markaziy tendensiyaning (konsensus) ifodasi sifatida ms’no beradi, hech bo’lmaganda, qoida tariqasida,uni taqqoslash orqali aniqlab olish mumkin edi, individual genlar uchun daraxtlar (Wolf va boshqa 2002).
Bundan farqli o’laroq ,radikal “anti- TOL” nuqtai nazari bilan kengayib borayotgan HGT genetik ma’lumotlarning vertikal va gorizontal ravishda uzatilishi o’rtasidagi tafovutni yo’q qiladi,shuning uchun TOL kontseptsiyasining evolutsiya tarmog’ining ba’zi bir ko’rinishi foydasiga butunlay tashlab qo’yish kerak(Dulittle va Bapateste 2007)