Uusi algoritmi tunnistaa bakteerilajien välisen geenisiirtymän

24.02.2017

Geenisiirtymää tapahtuu erityisen paljon pneumokokkibakteerien antibioottiresistenssiin vaikuttavissa geeneissä.

Vasemmalla on kuvattu pneumokokkibakteerien välistä horisontaalista geenisiirtymää valituissa geeneissä ja oikealla on yhteenveto bakteerien välisistä suhteista genomitasolla, jossa on vaihtelua sinisestä (etäinen) keltaiseen (läheisesti sukulainen). Kuva: Pekka Marttinen.

Nisäkkäiden lisääntyessä jälkeläisen genomi eli perimä on yhdistelmä vanhempien genomeita. Bakteerit taas lisääntyvät jakautumalla, jolloin jälkeläisten genomit ovat periaatteessa kopioita vanhemman genomista. Tätä prosessia mutkistaa horisontaalinen geenisiirtymä, mikä tarkoittaa, että bakteerit voivat luovuttaa toisilleen genomin palasia. Näin ollen myös yksittäisten bakteerien genomit voivat olla yhdistelmä useilta eri vanhemmilta peräisin olevia geenejä. Jotkut näistä genominpalasista saattavat olla peräisin jopa täysin eri lajeilta.

Tuoreessa, koneoppimisen ja bioinformatiikan aloja yhdistävässä, tutkimuksessa kehitettiin uusi laskennallinen menetelmä, jolla voi mallintaa geenisiirtymää bakteeripopulaation eri kehityshaarojen tai jopa kokonaan erillisten bakteerilajien välillä. Algoritmin avulla analysoitiin 616 pneumokokkibakteerin genomeista koostuva aineisto.

Geenisiirtymän määrä riippuu geenin hyödyllisyydestä

Tutkimuksessa genomeista löytyi useita yksittäisiä geenejä, joissa geenisiirtymää arvioitiin tapahtuneen erityisen paljon. Näihin lukeutuivat myös antibioottiresistenssiä aiheuttavat geenit.

”Antibioottiresistenssiin liittyvissä geeneissä nähtävä geenisiirtymän määrä voi liittyä näiden geenien hyödyllisyyteen bakteereille ja siitä seuraavaan valintapaineeseen,” kuvailee akatemiatutkija Pekka Marttinen Aalto-yliopiston tietotekniikan laitokselta.

”Suoraa ratkaisua antibioottiresistenssin ongelmaan tutkimuksesta ei saada, koska se edellyttää resistenssin synty- ja leviämismekanismien ymmärtämistä. Ymmärrystä kuitenkin edistää, jos tunnemme geenisiirtymän määrän eri lajien ja kehityshaarojen välillä”, hän selittää.

Tutkimuksessa pystyttiinkin osoittamaan, että geenisiirtymää tapahtuu paitsi lajien sisällä, myös useiden eri lajien välillä. Myös geenisiirtymän suuri määrä oli yllätys.

”Aiemmin on osoitettu, että geenisiirtymää tapahtuu paljon yksittäisissä geeneissä, mutta nyt pystyimme ensimmäistä kertaa laskennallisesti osoittamaan saman yli koko genomin”, kertoo Marttinen lopuksi.

”Menetelmällä pystytään ensimmäistä kertaa arvioimaan tehokkaasti myös kauan aikaa sitten tapahtunutta geenisiirtymää, mikä on tärkeää, kun halutaan tutkia geenisiirtymää eri lajien välillä.”

Tutkimustulokset julkaistiin helmikuussa Molecular Biology and Evolution –julkaisussa.


Lisätietoja:
Akatemiatutkija Pekka Marttinen
Aalto-yliopisto, tietotekniikan laitos
p. 044 303 0349
pekka.marttinen@aalto.fi

Artikkeli: Rafal Mostowy, Nicholas J. Croucher, Cheryl P. Andam, Jukka Corander, William P. Hanage ja Pekka Marttinen: Efficient inference of recent and ancestral recombination within bacterial populations. Molecular Biology and Evolution 2017. DOI: 10.1093/molbev/msx066.