Fylogeneze toxinů sinic

Bc. Ravi José Tristao Ramos

Bachelor's thesis

Phylogeny of cyanotoxins

Abstract:

Cyanobakterie (sinice), které byly prvními organismy na naší planetě, produkují sekundární metabolity s různými stupni toxicity (cyanotoxiny) z dosud neznámých příčin. V této tezi jsou zkoumány fylogenetické vztahy mezi genovými klastry odpovědnými za produkci cyanotoxinů. Nejdříve byl použit zavedený fylogenetický přístup s novem skorem sekvenční podobnostni, který zohlední vysoké složitosti takových genových klastrů (plné nebo částečné inverze, variabilní délka, různý počet genů, neortologů). Přístup zahrnuje tři plně automatizované kroky, a to: (i) rozdělení každé sekvence do subsekvencí; (ii) provádění lokálních vyrovnání každé dvojice subsekvencí generovaných pro celou sadu dat; a (iii) použití výsledků vyrovnání, vytvoření matice, která odráží vzdálenost mezi každou dvojicí sekvencí v původní datové sadě. Informace obsažená v distanční matici se používá pro generování fylogenetického stromu, ve kterém jsou délky větví odvozeny z průměrné párové podobnosti subsekvenčních zarovnání. Při analýze více biosyntetických genových klastrů napříč různými druhy cyanobakterií bylo zjištěno, že klíčová informace týkající se bioaktivity toxického metabolitu produkovaného enzymovým souborem kódovaným genovým klastrem je zřejmá na úrovni nukleotidové sekvence. Konkrétně fylogenetický strom biosyntetických genových klastrů se větví nejprve podle bioaktivity sekundárního metabolitu (molekulární cíl v jiném organismu), pak podle chemické třídy a chemické struktury sekundárního metabolitu, a nakonec podle organismu a oblasti původu. Takové vztahy mohou být odvozeny bez zkoumání samotných enzymů nebo měření hladin exprese, což naznačuje, že bioaktivita mohla být primární hybnou silou pro diverzitu sekundárního metabolismu u cyanobakterií. Tato zjištění dále ukazují, že tento genetický aparát se vyvinul tak, aby usnadnil tři specifické strategie přežití působící samostatně nebo v tandem. Dominantní cyanobakterie mají genetický aparát na podporu všech tří strategií. Transmembránová (přímá) toxicita zacílená na iontové kanály, intracelulární (nepřímá) toxicita zaměřená na regulaci buněčného cyklu a inhibice trávení zacílené na proteázy mohou poskytnout výhodu přežití podporující evoluční úspěch cyanobakterií a jejich časných symbiotických hostitelů.

Abstract:

Cyanobacteria, the earliest organisms on our planet, produce secondary metabolites with various degrees of toxicity (cyanotoxins) for unclear reasons. In this thesis, I examined the phylogenetic relationships among gene clusters for cyanotoxin production. I used an established phylogenetic approach with a new sequence similarity score that accounts for the high complexity of such gene clusters (full or partial inversions, variable length, different number of genes, non-orthologues). The approach involves three fully automated steps: (i) break each sequence into subsequences; (ii) perform local alignment of each pair of subsequences generated for the entire dataset; and (iii) using the alignment results, build a matrix that reflects the distance between each pair of sequences in the original dataset. The distance matrix is used to generate a phylogenetic tree in which branch lengths are derived from the average pairwise similarity of subsequence alignments. Upon analyzing multiple biosynthetic gene clusters across various cyanobacterial species, I found that key information about the bioactivity of the toxic metabolite produced by the enzymes encoded by a gene cluster is evident at the nucleotide sequence level. The phylogenetic tree of biosynthetic gene clusters branches first according to the bioactivity of the secondary metabolite (molecular target in another organism), then according to the chemical class and chemical structure of the secondary metabolite, and finally according to the organism and area of origin. Such relationships can be deduced without examining the enzymes themselves or measuring expression levels, suggesting that bioactivity may have been the primary driving force behind the diversity of secondary metabolism in cyanobacteria. These findings further indicate that this genetic machinery evolved to facilitate three specific survival strategies acting separately or in tandem, with dominant cyanobacteria possessing the genetic machinery to support all three strategies. Transmembrane (direct) toxicity targeting ion channels, intracellular (indirect) toxicity targeting cell-cycle regulation, and digestion inhibition targeting proteases may have provided the survival advantage underpinning the evolutionary success of cyanobacteria and their early symbiotic hosts.

Keywords

Sinice, Toxin, Bioaktivita, Evoluce, Strategie přežití, Fylogenetická analýza, Cyanobacteria, Bioactivity, Evolution, Survival strategy, Phylogenetic analysis

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 5. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 26. 6. 2019
• Supervisor: prof. RNDr. Jaroslav Koča, DrSc.
• Reader: Mgr. Natália Martínková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Biochemistry / Chemoinformatics and Bioinformatics