FSF域分配981年完全测序提取蛋白质组从本地MySQL安装总科的版本。1.75数据库( 36使用严格的) E 价值截止10⁻⁴( 37]。总科数据库分配结构蛋白质序列使用概要文件隐马尔可夫模型(摘要)搜索,上乘检测远程同源性( 38]。数据集包括652个细菌、古细菌,70和259 eukaryal蛋白质组编码总曲目1733重大FSF域。在这项研究中,确定了fsf吟游诗人使用字母数字标识符(例如,c.37.1, c代表类的域结构( α, β, α+ β, α/ β等),37倍,1 FSF)。这构成了 结构数据集。

准备 函数数据集,我们下载了基因本体协会(果)文件1595年生物从欧洲生物信息学研究所( http://www.ebi.ac.uk/GOA/proteomes)。这些文件被筛选排除strain-level和寄生生物。他们受到50%覆盖率阈值(注释的基因产品数量术语除以总数量的基因产物),以确保高质量的注释。在这项研究中,我们只采样最终水平去条款从分子功能层次结构(简单地称为神仙或功能从以下),因为它们代表了高度专业化功能注释和近似分子活动的细胞(进化信息)( 25]。我们进一步排除GOs的高度可能扫描的总组2039终端非政府组织在我们的数据集对蛋白质水平基因转移中列出数据库(HGT-DB) [ 39]。这使得115年的排斥潜在HGT-derived神仙。最后一个 函数数据集包括249只在functionomes从183年的细菌,45古生菌,21个真核生物编码组1924神仙。

我们进行了基因的人口普查 结构和 函数数据集通过计算发生(存在/没有)和数量(冗余项)所有蛋白质组和functionomes的特征。这些数据矩阵然后扫描生成特征共享的维恩图和箱线图显示模式之间和蛋白质组内部和functionomes超界集团。

超界中的每一个特征的传播是一个计算的 f 值指示蛋白质组的数量/ functionomes窝藏特质除以总数量的蛋白质组/ functionomes有机组织。的 f 值方法低一个无处不在的特质,但那些不太广泛分布。

我们使用一个相对时间尺度来确定fsf在分子进化的起源。这种规模的定义了节点的距离( nd)作为计算的种系发生树FSF域(见[ 26, 28, 35为实际细节)]。从技术上讲, nd从它的位置是一个特定的距离特征在种系发生树的根节点。它给出一个范围从0(最古老的或根节点)到1(高派生或终端节点)。生物,它反映了进化FSF相对于其他FSF的年龄。 nd已成功地应用于过去描述细胞进化的重要事件(例如, 26, 28]),可以被认为是一个可靠的代理来估计生物分子特征的起源。

维恩图演示FSF的进化分类和特征去七可能和互斥的维恩分类群,安倍(即。,present in all three superkingdoms), AB (present only in akaryotes), BE (present only in Bacteria and Eukarya), AE (present only in Archaea and Eukarya), and the three superkingdom-specific groups, A, B, and E (Figure 2)。值得注意的是,大部分的特征(结构总量的45%和27%的功能),在所有三个超界,支持共同祖先(图的假说 2)。自托尔的定义是一个嵌套的层次分类,我们建议提升共享特征的分类群指向一个古老的“垂直跟踪”的差异从一个共同祖先的说明。反过来,低数字分类组表明其他进化过程除了家族分裂,包括还原进化,HGT,趋同进化,微分损失,和二次进化的适应性。

two-superkingdom分类群的大多数信息尽可能每个体现一个垂直的痕迹和超界的起源进化的假说。在AB的数量特征,AE,因此分类群是指示性的力量进化无核细胞之间的联系,古细菌和真核生物和细菌和真核生物。值得注意的是,和直觉,AB和AE分类群的大小~ 9折小比的 结构数据集(38和38与324)(图 2(一个))。这一趋势也恢复了 函数数据集,大大超过AB和AE(272年和100年和11)(图 2 (b))。这些重要的偏见提出一个有趣的祖先进化的细菌和真核生物之间的联系,非常大量的安倍特征表明一个祖先的所有生物之间的联系。而同时收益特征的细菌和eukaryal蛋白质组可能,高分享是分类组织的结构和功能使其吝啬地可能点而不是进化的场景,在该场景中,这两个超界从共同祖先分化。尤其发现支持的趋同进化的结构是罕见的 40),似乎不太可能发生在如此高的水平。我们注意到细菌与真核生物相关生物更紧密,建立许多共同进化的细菌与真核宿主寄生、共生互动;这是形成鲜明对比与生物的相互作用涉及古生菌( 41]。这些相互作用可以促进蛋白质的交换和生物之间的功能体验。然而, 函数数据只包括独立生存的GO-annotated生物HGT-acquired GOs的排斥,因此是免费的从自适应共生或寄生的生活方式的影响。数据还显示,高表示的是组相对于AB和AE组(图 2 (b))。简而言之,非常大的大小差异比较的AB和AE组织是一个重要的进化结果,无法解释仅仅通过寄生、共生的过程。

最后,维恩图表明Eukarya-specific特征总是比Bacteria-specific Archaea-specific同行,这表明一个膨胀的进化增长模式在akaryotic真核体验或还原模式,或两者兼而有之(图 2)。这是一个预期的结果作为一个高度多样化的真核生物编码和复杂的基因组和能够执行许多先进分子的活动,特别是与发展和免疫反应有关。基于我们最初的比较基因组锻炼,我们提出三个初步结论:(i)相关的所有现存细胞因共同的血统,(ii)细菌和真核生物从一个共同祖先分化,和(3)真核生物比无核细胞明显更复杂的多的独特的特征。

维恩图简单描述全球超界的共享模式,不能解剖的受欢迎程度在每个超界的生物特征。换句话说,超界中的一个特征的存在并不一定意味着它是垂直遗传;这种特征可能只存在于其成员。在这种情况下,收购的特征nonvertical(如HGT通量、趋同进化)或混淆(如微分损失,模仿HGT)进化过程变得更加可能。全面探讨这些真实或虚拟的“横向”痕迹导致生物体的蛋白质组的发展超界和进一步测试图的维恩图的初步结论 2,我们计算了FSF的流行和传播特征在超界的生物,我们的术语 f 价值。的 f 价值是生物的数量在维恩分类组窝藏特质除以总数量的生物分类群和超界。它给出一个相对规模从0(缺席)到1(无所不在)。使用这个简单的方法,我们首先确定17 fsf(表 1)和26 GOs(表 2),是存在于所有蛋白质组和functionomes,分别。这群特征真正代表了“普遍”的核心特征是存在于生命的共同祖先,urancestor,强烈保留所有的后代。这些特征表现至关重要的代谢和信息角色和中央细胞ATP水解和离子结合等,占核糖体蛋白质的结构组成,并参与DNA复制和蛋白质转译过程(表 1和 2)。此外,共有245 fsf和95神仙了 f > 0.90 暗示普遍存在并建议还原损失其余10%的蛋白质组和functionomes(数据没有显示)。这个全球分析基于蛋白质组的流行特征和functionomes表明urancestor尤为丰富(结构上和功能上)的代谢功能( 29日),说明了的力量 f 价值在解剖的痕迹垂直和水平的产业。因此,我们将分析扩展到的蛋白质组和functionomes前的七个分类群的成员。

我们首先比较了fsf的传播 结构数据集使用的箱线图表示 f 值分布(图 3(一个))。我们的假设是显而易见的:高 f 值和平衡 f 垂直分布反映出痕迹,而低 f 价值观和偏见 f 分别分布回声水平(flux-loss)痕迹。786年安倍最高的结构分布 f 值和中位数增加的顺序,古生菌(中位数 f = 0.6 )、(0.74),细菌和真核生物(0.90)(图 3(一个),安倍分类群)。大量的安倍结构在所有三个超界普遍加强了假设生命的共同祖先。相对较低的值 f 值在无核细胞(0.6 0.90 0.74古生菌和细菌和真核生物)可以用基因来解释已知发生还原事件与相对高频akaryotic微生物( 26, 42),也体现在superkingdom-specific特征(图的数量 2)。38 AB结构很差但同样分布(中位数 f 值= 0.14)在古细菌和细菌蛋白质组,与古细菌结构表现出倾向于更加广泛的(长尾)(图 3(一个)AB)。此模式支持的存在水平跟踪无核细胞之间,弱的偏见在flux-loss超界(注意但是没有常见的异常值能被探测到的)。相比之下,38 AE结构高度(中位数表示 f 值> 0.94)在相应的超界的生物(图 3(一个)AE)。再次,古细菌结构显得更为广泛共享,但也显示较长的尾巴表明可能flux-loss集。乍一看,这种强大的垂直和谐AE集团的痕迹,可能是集团的竞争对手。然而,这可能并非如此。324年在细菌和平均结构差代表eukaryal蛋白质组(中位数 f 值< 0.15)(图 3(一个))。整体相对统一的传播,与弱偏向高等真核生物中表示。然而,53和59结构被广泛的细菌和真核生物的蛋白质组( f > 0.8 ),分别(阴影区域图 3(一个))。这一部分是结构数值的两倍的总组高度代表AE结构。因此,越强的垂直跟踪结构继续支持一个姐妹群关系细菌和真核生物和古菌的早期多样化。我们注意到这个推断是由于我们有652个细菌和259 eukaryal蛋白质组相比,只有70古细菌蛋白质组。存在任何结构在这样大量的基因组意味着强大的选择压力和保护的特点。最后,分享superkingdom-specific结构在每个超界(中值低 f 值= 0.01 - -0.34),最小平均 f 值最大细菌和真核生物(图 3(一个),A, B, E)。值得注意的是,从164年Bacteria-specific结构,没有,但是,存在于> 50%的蛋白质组(图 3(一个),B)。没有一个预期的同质分布强烈表明,高度和其他均质化过程的作用可能非常有限在塑造细菌蛋白质组的进化。Eukaryal-specific结构分布具有较高 f 值(图 3(一个)E),相对较低的传播superkingdom-specific结构表明,这些结构是获得独立后,散度从每个超界最后的共同祖先。

推论的箱线图 函数数据集(图 3 (b))支持来源于一般的结论 结构数据集。安倍分布有高 f 值,与古生菌(中位数 f = 0.24 )大大低于细菌(0.57)和真核生物(0.57)(图 3 (b)安倍)。细菌和eukaryal分布是非常平衡的,提供额外的支持,他们最近的差异从一个共同祖先。中位数 f 古生菌的值最低,可以解释为高基因组减少事件( 26]或偏见的数量去古细菌基因组的注释。非政府组织更可靠和广泛策划对于细菌和真核生物,和这个因素可以减少古细菌基因组的全面检测。然而,比较的分布 函数和 结构数据显示,支持结果一致,表明这可能的缺点的影响有限。这里,安倍分布模式后观察fsf,因此被认为是可靠的。所有的AB、AE和被分类群显示平衡分布(图 3 (b)、AB、AE)。100 AB分类组存在神仙(~三倍大于相应的结构),分布式声望较低(图 3 (b)AB)。一般来说,这些功能更丰富的细菌与古菌,因此建议一些分子活动横向从细菌转移到古生菌(确认)。AE分类组未能大力支持AE分布 结构数据集。这个群体包括只有11 GOs eukaryal相对更丰富的蛋白质组(图 3 (b)AE)。最后,分类组织还支持患病率的增加在eukaryal功能基因组相比,细菌基因组(0.39与中值0.03),表明引入水平跟踪效果或偏见去注释方案(图 3 (b))。然而,的特点是组的数量大大高于AB或AE组织和包括一个很大的功能数量相对广泛的( f > 0.8 )(图 3 (b))。这是鲜明的对比与AB或AE分类群的模式。高度代表的子集功能因此最有可能的古代垂直签名的遗迹,结合细菌和真核生物在托尔姊妹集团。该跟踪非常符合的模式获得 结构数据集(图 2(一个)和 3(一个))。

最后,再次superkingdom-specific功能分布较低 f 值。古生菌只有一个独特的去,出现在古细菌基因组的40%(图 3 (b))。与此形成鲜明对比的是,852年有162个细菌和eukaryal-specific神仙。细菌功能再次显示的证据非常有限的传播在生物体(图 3 (b)广泛的细菌高度的说法,B)挑战。反过来,eukaryal功能适度广泛(图 3 (b)E)。这些结果符合推论关于晚早些时候和独立收购superkingdom-specific特征。

箱线图分布关于超界的散度模式提供有益的线索。然而,他们不允许我们量化程度的横向和纵向继承。因此,我们计算的差别 f 所有特征值的AB、AE分类群。如果之间的区别 f 值> 0.6,特征在两种超界的存在被认为是可能的高度活动的结果。这个阈值是任意设置为只包括这些特征更为丰富的超界但几乎存在于另一个。例如,“t-snare蛋白质“总科(吟游诗人id: a.47.2],这是大量存在于酵母和哺乳动物细胞,形成桥梁调解细胞内贩卖( 43),有一个 f 价值0.996在真核生物暗示它是无处不在的。然而,它只是存在于一个652个细菌蛋白质组分析( f = 0.001 S1)(表,补充材料网上 http://dx.doi.org/10.1155/2013/648746)。这最有可能是结构获得通过高度的一个例子发生在真核生物与细菌的方向。使用这一标准,只有一个结构(“tRNA-intron酶n端域”[d.75.1])收购水平在真核生物AE古生菌的分类组,而6从真核生物转移到古生菌(表S1)。同样的,只有一个FSF横向转移到细菌与古菌(“硫化叶菌的特性,6-bisphosphatase-like”[d.280.1]),而没有获得互惠。最后,细菌可能35结构转移到真核生物而获得52的回报(表S1)。其余237结构偏差不显著的传播在这些分类群和可能获得的垂直或在进化过程中获得了独立。

而言, 函数,没有一个特征很可能转移到细菌与古菌。然而,9 GOs候选人从细菌转移到古生菌(表S2)。也许最有趣的是在这些横向收购“青霉素结合分子活动”(去:0008658)是普遍存在于细菌也出现在古细菌蛋白质组的11%(表S2)。同样,从古生菌没有转移到真核生物分子的功能,只有一个(“dolichyl-diphosphooligosaccharide-protein glycotransferase活动”[去:0004579])了。最后,4分子功能很可能从细菌转移到真核生物和28获得回报(表S2)。总的来说,推断的影响水平转移过程似乎相当有限,没有严重失效的推论。此外,水平的贡献古生菌细菌或真核生物是最少的,这是符合上述最小共享特征(数字 2和 3)。相比之下,细菌和真核生物表现出更高水平的垂直和水平遗传特征和显示一个强大的进化协会,一个结论可能威胁的古代事件内共生。

特征的古代起源预计将出现在丰度比最近收购了。这是真的因为特征出现之前有更多的时间来积聚在基因组和增加他们的代表 6]。因此,高的特点在一个特定的维恩分类群是指示性的存在相对更古老的特征和一个古老的起源。因此,基因丰度可以作为一个代理来估计分类群的时代。我们计算了大量的特征出现在每一个蛋白质组和functionome和这些值在箱线图分布(图表示 4)。安倍的平均丰度值最高的分类组 结构(图 4(一)), 函数(图 4 (b))的数据集,再支持这群保留大部分的urancestral特征有享受最大的时间繁殖并成为现代蛋白质组和functionomes丰富。是集团一直怀有特征相比,更丰富的AB和AE组(图 4)。最后,Eukarya-specific特征明显丰富eukaryal蛋白质组和functionomes,检测到的基因丰度相比,更加丰富Archaea-specific或Bacteria-specific特征(图 4)。这个结果证实了存在一个强大的垂直方向跟踪在现代细胞从安倍和e .真核生物很可能保留大部分的最古老特征逐渐消失在akaryal生物,从古生菌和细菌展现更晚。以前phylogenomic分析证实了强烈的还原akaryal蛋白质组的趋势( 26, 28, 35]。古生菌也与基因组的进化事件开始减少早期的外观是之前在进化和分类组( 28, 35]。然而,相对较晚损失特征的细菌是有趣的。几个已知种类的细菌寄生的生活方式适应后基因组(减少 44]。因此,细菌基因损失可能是一个持续的进化过程暗示对一个主要二级进化过渡。这也表现在非常贫穷的传播Bacteria-specific特征(图 3)。

我们后期损失提供依据细菌仔细检查AE特征。大多数38 AE fsf和11个非政府组织在信息丰富的函数(例如,翻译起始,核糖体蛋白质、DNA结合蛋白质和蛋白质参与DNA复制;表S3和S4)。这个结果与现有的知识是一致的。事实上,古细菌和真核生物更相关的信息的过程,而细菌和真核生物彼此相似新陈代谢( 45]。因此,高人气的AE fsf可能是由于偏见归因于晚微分结构这些功能类别的损失。例如,11 AE GOs包括关键分子的功能,比如“DNA聚合酶持续合成因素活动(去:0030337)”和“tRNA-intron酶活动(去:0000213)。“前者是监管者的复制叉 46, 47而后者是参与处理tRNA基因内区( 48]。这两种活动可以在细菌,与后期的损失,因为他们似乎集中重要的细胞功能。因此,虽然高度趋同进化和共同进化的特征似乎不太可能,我们不能排除广泛的基因组akaryal物种减少的可能性。

为了进一步剖析维恩分类群的进化,我们绘制了1924终端GOs 16个一级父走了。图 5显示终端的分布率高,被分类,每个16父类别。这个练习证实推论来自早期的实验和突出的方向垂直的痕迹。值得注意的是,只有安,和E在一级分子功能丰富而大多数终端条件的可以被称为“催化活性(去:0003824)”或“绑定(去:0005488)”(图 5)。这是一个有趣的结果。先前的分析金和Caetano-Anolles [ 25)证实,这两个分子活动最先出现在进化和共享的所有生物。相比,衍生分子活动首次出现在分类组(例如,“结构分子活动(去:0005198),”“核酸结合转录因子活性[去:0001071],”和“渠道监管活动[去:0016247]),“尽管最近创新独特的发生在真核生物(例如,“受体调节器活动(去:0030545),“翻译监管活动(去:0045182),”“metallochaperone活动(去:0016530),”“成形素活动(去:0016015)”和“蛋白质标记(去:0031386)”)。相比之下,没有AB, AE, A, B分类群的独特的存在(图1级分子功能 5)。值得注意的是,很大一部分是终端的非政府组织是致力于最古老的催化和绑定活动(图S1)。相比之下,“运输活动[去:0005215]”被发现AB集团中来自AE数值时小得多(图S1)。这些发现证实一个垂直的存在跟踪从安倍最后E(也是支持的 结构数据集)。Akaryal祖先可能分化后从该跟踪路径对真核生物基因组的减少而丰富的体验参与基因重复事件和探索小说域组合( 12, 49]。

验证与历史无关的比较方法,我们展开FSF的外观和性状进化时间( nd),而在每个超界策划基因丰度。FSF进化的历史分析(图 6)和终端条件(数据未显示)一致,显示两个明确的模式:(1)基因组损失体现古代早期的模式的崛起是分类组(红圈),通常涉及与丰度特征的水平至少一个数量级高于其他分类群的水平(例如,AE和AB);和(2)一个规范化的模式superkingdom-specific外观特征揭示早期细菌的崛起才跟着联合外观独特的古细菌和真核生物。这一历史分析因此支持比较分析发现的古代垂直跟踪流从安集团是和E组。这三组分布以最大的丰度值在时间显示保留大量来自共同祖先的特征。这个垂直跟踪定义了一个古老的血统干细胞线负责初发放的热点血统和细菌新奇事物,和解规范化和古托尔的支持。然而无法预测规范化与历史无关的分析模式,从比较分析维恩分类群特征分布的超界,生物不能适应竞争假说的支持体现在进化过程中在不同的时间。块图 6还显示显著增加丰富fsf eukaryal进化后期,这可以解释为显著发展的多区域蛋白结构及其相关函数( 12, 49]。域和功能的组合是可能的罪魁祸首时,我们观察到的两相的模式专注于真核生物。