وحدة تصنيفية تشغيلية

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

مثال على منهجية المعلوماتية الحيوية لتوليد وحدات التصنيف التشغيلي (OTUs).

الوحدة التصنيفية التشغيلية ( OTU ) هي تعريف عملي يُستخدم لتصنيف مجموعات من الأفراد ذوي الصلة الوثيقة. وقد طُرح هذا المصطلح لأول مرة عام 1963 من قِبل روبرت ر. سوكال وبيتر هـ. أ. سنيث في سياق التصنيف العددي ، حيث تُعرَّف "الوحدة التصنيفية التشغيلية" ببساطة بأنها مجموعة الكائنات الحية قيد الدراسة حاليًا. [ 1 ] وبهذا المعنى، تُعد الوحدة التصنيفية التشغيلية تعريفًا عمليًا لتجميع الأفراد حسب التشابه، وهو ما يُعادل التصنيف الليني الكلاسيكي أو التصنيف التطوري الحديث ، ولكنه ليس بالضرورة متوافقًا معهما .

مع ذلك، يُستخدم المصطلح اليوم في سياق مختلف، إذ يشير إلى مجموعات من الكائنات الحية (غير المستزرعة أو غير المعروفة)، مُصنّفة حسب تشابه تسلسل الحمض النووي لجين مُحدد (يُعرف في الأصل باسم mOTU ؛ وحدة التصنيف التشغيلي الجزيئية ). [ 2 ] بعبارة أخرى، تُعدّ وحدات التصنيف التشغيلي مؤشرات عملية للأنواع على مستويات تصنيفية مختلفة، في غياب أنظمة التصنيف البيولوجي التقليدية المتاحة للكائنات الحية الكبيرة. ولعدة سنوات، كانت وحدات التصنيف التشغيلي أكثر وحدات التنوع استخدامًا، لا سيما عند تحليل بيانات تسلسل جينات العلامات للوحدة الفرعية الصغيرة 16S (للبدائيات) أو 18S rRNA (لحقيقيات النوى). [ 3 ]

التصنيف الجزيئي للوحدات التصنيفية التشغيلية (OTU) عن طريق تجميع تسلسلات الجينات الواسمة

في منهجية الترميز الجيني للحمض النووي ، يُختار موقع جيني محدد ليكون بمثابة جين مؤشر للتصنيف. يجب أن يكون هذا الموقع موجودًا بشكل عام في النطاق المُختار، ومتغيرًا بدرجة كافية ليختلف بين الأنواع المتقاربة، وأن يكون محاطًا بتسلسلات محافظة تُسهّل تضخيمه وكشفه. توجد قواعد بيانات تحتوي على تسلسلات لهذه الجينات المؤشرة من أنواع عديدة، مما يسمح بالمقارنة. (أحيانًا لا يوفر استخدام موقع جيني واحد دقة كافية، لذا تُستخدم جينات مؤشرة متعددة. هذا هو الحال في النباتات، حيث يشيع استخدام rbcL + matK ). [ 4 ]

يمكن تجميع التسلسلات التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة وفقًا لتشابهها مع بعضها البعض، وتُحدد الوحدات التصنيفية التشغيلية بناءً على عتبة التشابه التي يحددها الباحث. وتعتمد العتبة الدقيقة على التصنيفات المعنية ومعدلات الطفرات في الموضع المحدد ضمن التصنيف. تُستخدم عادةً نسب 97-99 %، ولكن "يُعترف الآن بأنها تعسفية إلى حد ما نظرًا لاختلاف تنوع التسلسلات داخل الأنواع وفيما بينها عبر التصنيفات". كما يشيع استخدام نسبة 100% من التشابه (التطابق التام)، والمعروفة أيضًا باسم المتغيرات الفردية . [ 4 ]

لا يزال مدى دقة هذه الطريقة الشائعة الاستخدام في محاكاة التطور الوراثي أو البيئة الحقيقية للأنواع الميكروبية موضع نقاش. فعلى الرغم من إمكانية حساب وحدات التصنيف التشغيلي (OTUs) بطرق مختلفة عند استخدام خوارزميات أو عتبات متباينة، إلا أن بحثًا أجراه شميدت وآخرون (2014) أظهر أن وحدات التصنيف التشغيلي الميكروبية المشتقة من جين 16S كانت متسقة بيئيًا بشكل عام عبر الموائل وعبر العديد من مناهج التجميع. [ 5 ] وقد يكون عدد وحدات التصنيف التشغيلي المحددة مبالغًا فيه نتيجةً لأخطاء في تسلسل الحمض النووي . [ 6 ]

أساليب تجميع وحدات التصنيف التشغيلي (OTU)

هناك ثلاثة مناهج رئيسية لتجميع وحدات التصنيف التشغيلي (OTUs): [ 7 ]

  • De novo ، والتي يعتمد التجميع فيها على أوجه التشابه بين قراءات التسلسل.
  • المرجع المغلق، والذي يتم فيه إجراء التجميع مقابل قاعدة بيانات مرجعية للتسلسلات.
  • Open-reference، حيث يتم إجراء التجميع أولاً مقابل قاعدة بيانات مرجعية للتسلسلات، ثم يتم تجميع أي تسلسلات متبقية لم يكن من الممكن ربطها بالمرجع من الصفر .

يُوفّر استخدام مرجع سياقًا تصنيفيًا لوحدات التصنيف التشغيلي (OTUs) المُكتشفة. وبدلاً من ذلك، يُمكن إيجاد السياق التصنيفي بعد إنشاء المجموعات من خلال مقارنة التسلسلات التمثيلية من المجموعات بقاعدة بيانات مرجعية. كما توجد مُصنِّفات مُتخصصة لهذا الغرض، وهي أسرع بكثير من المُقارنة البسيطة باستخدام BLAST. [ 4 ]

خوارزميات تجميع وحدات التصنيف التشغيلي (OTU)

وحدات التصنيف التشغيلي الجزيئية بطرق أخرى

بالإضافة إلى التجميع القائم على التشابه، يمكن فرز تسلسلات الجينات الواسمة إلى وحدات تصنيفية تشغيلية (OTUs) باستخدام علم الوراثة الجزيئي، أو تركيب k-mer، أو طرق هجينة تجمع بين هذه الطرق والتشابه. كما توجد طرق بايزية لا تعتمد على الأشجار، وأساليب تعلم آلي. غالبًا ما يتضمن استخدام علم الوراثة تعيين الفروع الطرفية أو العقد المفردة يدويًا إلى وحدة تصنيفية تشغيلية، لذا يُستخدم هذا عادةً فقط لتحسين التصنيف. [ 4 ] : ​​المربع 4، الجدول 3

يمكن استخدام تقنية مسح الجينوم للحصول على كميات كبيرة من الحمض النووي دون الحاجة إلى اختيار جينات دلالية أو تصميم بادئات تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) للجينات المختارة. وتوفر هذه التقنية تغطية جيدة نسبياً للحمض النووي للعضيات والعناصر المتكررة مثل الحمض النووي الريبوزي ، وكلاهما يمكن استخدامه كجينات دلالية في تحليل وحدات التصنيف التشغيلي (OTU). [ 4 ]

يُعدّ تسلسل الجينوم الكامل أكثر تكلفةً ويتطلب إنتاج ومعالجة كميات أكبر من البيانات. وبدراسة الجينوم بأكمله، يُمكن استخدام العديد من الجينات الدالة (أحيانًا أكثر من 100) في آنٍ واحد، مما يُنتج أشجارًا تطورية عالية الدقة تُحدد التصنيفات الإشكالية بدقة. [ 4 ] كما يُمكن استخدام الجينومات الكاملة لتحديد وحدات التصنيف التشغيلي (OTUs). على سبيل المثال، غالبًا ما يكون متوسط ​​تطابق النيوكليوتيدات في جينومات أنواع بكتيرية مختلفة أقل من 95%، وهي حقيقة يُمكن استخدامها لتحديد وحدات تصنيف تشغيلي جديدة (وربما أنواع جديدة). [ 11 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ سوكال وسنيث: مبادئ التصنيف العددي ، سان فرانسيسكو: دبليو إتش فريمان، 1957
  2. ↑ بلاكستر، م.؛ مان، ج.؛ تشابمان، ت.؛ توماس، ف.؛ ويتون، س.؛ فلويد، ر.؛ أبيبي، إ. (أكتوبر 2005). "تحديد الوحدات التصنيفية التشغيلية باستخدام بيانات الباركود الجيني" . معاملات الجمعية الملكية بلندن ، العلوم البيولوجية . 360 (1462): 1935-1943 . doi : 10.1098/rstb.2005.1725 . PMC 1609233. PMID 16214751 .  
  3. ↑ سومر، ستيفاني أ.؛ وودنبرغ، لورين فان؛ لينز، بيترا هـ.؛ سيبيدا، جورجينا؛ غوتزه، إريكا (2017). "التدرجات الرأسية في ثراء الأنواع وتكوين المجتمع عبر منطقة الشفق في دوامة شمال المحيط الهادئ شبه الاستوائية" . علم البيئة الجزيئية . 26 (21): 6136-6156 . Bibcode : 2017MolEc..26.6136S . doi : 10.1111/mec.14286 . hdl : 11336/53966 . ISSN 1365-294X . PMID 28792641 .  
  4. 1 2 3 4 5 6 بورتر، تيريزيتا م.؛ حاجي بابائي، مهرداد (2018). "التوسع: دليل للأساليب الجينومية عالية الإنتاجية لتحليل التنوع البيولوجي" . علم البيئة الجزيئية . 27 (2): 313-338 . Bibcode : 2018MolEc..27..313P . doi : 10.1111/mec.14478 . ISSN 1365-294X . PMID 29292539 .  
  5. ↑ شميدت، توماس إس بي؛ رودريغز، جواو إف ماتياس؛ فون ميرينغ، كريستيان (24 أبريل 2014). "الاتساق البيئي للوحدات التصنيفية التشغيلية القائمة على الحمض النووي الريبوزي الصغير للوحدة الفرعية على نطاق عالمي" . مجلة PLOS للحوسبة البيولوجية . 10 (4) e1003594. رمز Bibcode : 2014PLSCB..10E3594S . doi : 10.1371/journal.pcbi.1003594 . ISSN 1553-7358 . PMC 3998914. PMID 24763141 .   
  6. ↑ كونين، ف.؛ إنجلبريكتسون، أ.؛ أوشمان، هـ.؛ هوغنهولتز، ب. (يناير 2010). "تجاعيد في المحيط الحيوي النادر: أخطاء التسلسل الهرمي قد تؤدي إلى تضخيم مصطنع لتقديرات التنوع" . علم الأحياء الدقيقة البيئية . 12 (1): 118-123 . Bibcode : 2010EnvMi..12..118K . doi : 10.1111/j.1462-2920.2009.02051.x . PMID 19725865 . 
  7. ↑ كوبيلوفا إي، نافاس-مولينا جيه إيه، ميرسييه سي، شو زد زد، ماهي إف، هي واي، وآخرون (23 فبراير 2016). سيجاتا إن (محرر). " طرق تجميع التسلسلات مفتوحة المصدر تُحسّن أحدث التقنيات" . mSystems . 1 (1) e00003-15: e00003–15. doi : 10.1128/mSystems.00003-15 . PMC 5069751. PMID 27822515 .   
  8. ↑ إدغار، روبرت سي. (1 أكتوبر 2010). "البحث والتجميع أسرع بكثير من BLAST" . المعلوماتية الحيوية . 26 (19): 2460-2461 . doi : 10.1093/bioinformatics/btq461 . ISSN 1367-4803 . PMID 20709691 .  
  9. 1 2 فو، ليمين؛ نيو، بيفانغ؛ تشو، تشنغوي؛ وو، سيتاو؛ لي، ويزهونغ (1 ديسمبر 2012). "CD-HIT: تسريع لتجميع بيانات التسلسل من الجيل التالي" . المعلوماتية الحيوية . 28 (23): 3150-3152 . doi : 10.1093/bioinformatics/bts565 . PMC 3516142. PMID 23060610 .  
  10. ↑ هاو، إكس.؛ جيانغ، آر.؛ تشين، تي. (2011). "تجميع الحمض النووي الريبوزي 16S للتنبؤ بوحدات التصنيف التشغيلي: طريقة التجميع البايزي غير الخاضع للإشراف" . المعلوماتية الحيوية . 27 (5): 611-618 . doi : 10.1093/bioinformatics/btq725 . PMC 3042185. PMID 21233169 .  
  11. ↑ رودريغيز-ر، إل إم؛ كاسترو، جيه سي؛ كيربيدس، إن سي؛ كول، جيه آر؛ تيدجي، جيه إم؛ كونستانتينيديس، كيه تي (2018). " إلى أي مدى تقلل مسوحات جينات الحمض النووي الريبوزي من تقدير التنوع البكتيري الموجود؟" . علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي . 84 (6) e00014-18. Bibcode : 2018ApEnM..84E..14R . doi : 10.1128/AEM.00014-18 . PMC 5835724. PMID 29305502 .  

للمزيد من القراءة