РЕФЕРАТ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Обзор литературы 6
1.1. Хлоропласты 6
1.2. Особенности генов хлоропластов 6
1. 3. Ядерный и хлоропластный геномы 7
1.4. Некодирующая область генома 9
1.5. GC-состав 9
1.6. Способы выделения структурированности данных 9
2 Материалы и методы 12
2.1 Базы данных 12
2.2 Предмет исследования 12
2.3 Частотные словари и процедура их построения 12
2.4 Программное обеспечение 13
3 Результаты 15
3.1 Выделенные кластеры и структуры 15
3.2 Создание метагеномов для доказательства подобия типов структур 20
3.3 Исключительные геномы 24
3.4 Распределение GC-состава 26
3.5 Связь структуры и филогении 29
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 44
Предметом изучения современной биологии являются не только сами живые организмы, но и те макромолекулы из которых они состоят. Одной из таких макромолекул является ДНК. Быстрое развитие технологий секвенирования позволило накопить большую базу геномов разнообразных живых организмов. Однако анализ этой информации всё ещё является достаточно сложным процессом.
Существует множество способов изучения генетического материала, но данная работа посвящена поиску связи между структурой генома и таксономией носителя генома. Ранее, подобные структуры уже выявлялись у бактерий [1, 2, 3, 4] и митохондрий [5].
Исследования были проведены на хлоропластах различных растений. Такой объект был выбран не случайно. Использовать хлоропласты очень удобно, так как длина их генома относительно мала. Кроме того, у высших растений имеется устоявшаяся систематика. Исследование хлоропластов подобными методами проводилось и в прошлом [6, 7], однако данное исследование направлено на более подробный анализ некодирующих частей генома.
Целью работы стало выявление связи структуры некодирующих частей геномов хлоропластов растений с их таксономией с учётом распределения GC-состава.
Для выполнения работы необходимо было выполнить следующие задачи:
• Выделить типы кластеров и структуры из их комбинаций;
• Выявить, имеют ли структуры одного типа явное подобие;
• Изучить распределение GC-состава внутри данных структур;
• Определить, наблюдается ли соответствие между таксоном растения и свойственной этому таксону структурой;
• Определить, возможны ли исключения в построении структур.
Основные результаты работы были доложены на конференции «Нейроинформатика, её приложения и анализ данных» (Красноярск, 28-30 сентября 2018 г.)
Основные результаты работы опубликованы в сборнике «Нейроинформатика, её приложения и анализ данных: Материалы XXVI Всероссийского семинара».
В исследованных геномах устойчиво выделяются 2 кластера сочетания которых могут образовывать 5 видов структур, характерных для некодирующих частей генома хлоропластов растений. Данные структуры были названы «Шар», «Шар с одним хвостом», «Шар с двумя хвостами», «Линза с одним хвостом» и «Линза с двумя хвостами». Частота встречаемости этих структур весьма различается. Самой распространённой является структура «Шар с одним хвостом», а самой редко встречаемой «Шар». Целостность этих структур была показана при помощи составления метагеномов, соединяющих в себе некодирующие части геномов хлоропластов 10 различных растений.
Установлено, что все из исследованных геномов относятся к той или иной структуре, однако некоторые из данных структур могут формировать отдельный кластер, на фоне остальных геномов. Причина данного явления не ясна до конца, однако скорее всего оно связано с отдалённым систематическим положением растений-носителей данного генома.
Выявлено, что распределение GC-состава в любой из изученных структур имеет градиентный характер. Так, максимальная концентрация GC-состава приходится на точки, формирующие кластер «хвост» в структурах, а также на точки основного кластера располагающиеся в непосредственной близости от кластера «хвост». Анализ среднего содержания GC-состава выявил, что при достаточной выборке в любой из групп структур среднее значение GC-состава составляет примерно 37%.
Связь полученных структур с филогенией растений-носителей выявила определённые закономерности. Одной из таких закономерностей является количественное преобладание самой редкой в общей выборке структуры «Шар» у представителей отряда сосновых. Благодаря выявлению таких закономерностей, можно использовать данный метод как дополнительное средство при установке филогении новых открываемых видов.
