Comparative genomic analysis of halophilic organisms
Creators: name: Λούκας, Αλέξιος Φ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Ακραιόφιλοι οργανισμοί
Αλόφιλοι οργανισμοί
Βιοπληροφορική ανάλυση
Συγκριτική γονιδιωματική
Βάσεις δεδομένων
Προφίλ αμινοξέων
Φυλογενετικό δέντρο
Πανγονιδιωματική ανάλυση
Extremophiles
Halophilic
HaloDom
Phylogenomics
Amino acid profile analysis
HaloPredictor
Pan-genome analysis

description: Οι αλόφιλοι οργανισμοί ευδοκιμούν σε περιβάλλοντα με υψηλή περιεκτικότητα σε NaCl, επιδεικνύοντας ποικίλες μεταβολικές στρατηγικές και προσαρμογές. Η έρευνα των αλόφιλων οργανισμών έχει ενταθεί τα τελευταία χρόνια καθώς διερευνώνται οι προσαρμογές τους, η εξελικτική τους ιστορία και οι βιοτεχνολογικές τους δυνατότητες. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρείται αρχικά η δημιουργία μιας βάσης δεδομένων των παραπάνω οργανισμών και στη συνέχεια η ανάλυση μιας εκτεταμένης συλλογής αντιπροσώπων της κλάσης Halobacteria (Archaea) όσον αφορά τις εξελικτικές τους σχέσεις, τα προφίλ αμινοξέων στα πρωτεώματά τους καθώς και το γονιδιακό τους περιεχόμενο. Συγκεκριμένα, σε πρώτο στάδιο μέσω εκτεταμένης βιβλιογραφικής αναζήτησης καταγράφηκαν πάνω από 1250 αλόφιλα είδη και από τις τρεις επικράτειες της ζωής (Αρχαία, Βακτήρια, Ευκαρυώτες). Αυτά οργανώθηκαν σε μια βάση δεδομένων (HaloDom) μαζί με μια ποικιλία μετα-δεδομένων όπως εύρος αλατότητας, ενδιαίτημα, ταξινομική κατάταξη, διαθεσιμότητα γονιδιωματικών δεδομένων κλπ., με φιλικές προς τον χρήστη λειτουργίες αναζήτησης. Η HaloDom αποτελεί αυτή τη στιγμή την πιο ενημερωμένη και εκτεταμένη διαδικτυακή και ελεύθερα διαθέσιμη βάση δεδομένων αλόφιλων οργανισμών και ένα χρήσιμο αποθετήριο για σχετικές έρευνες. Σε ένα δεύτερο στάδιο, διερευνήθηκαν διεξοδικά οι φυλογενετικές σχέσεις σε 124 Halobacteria και 33 εξωομάδες χρησιμοποιώντας 242 πρωτεϊνικούς δείκτες. Το φυλογενετικό δέντρο μέγιστης πιθανοφάνειας (maximum likelihood) που προέκυψε με τη χρήση του προγράμματος IQ-TREE διαφωτίζει και επικαιροποιεί προβληματικές μέχρι σήμερα γενεαλογικές σχέσεις διαφορετικών ομάδων της κλάσης Halobacteria. Εξετάζοντας προφίλ αμινοξέων από τα Halobacteria, επιβεβαιώσαμε προηγούμενα ευρήματα και προσδιορίσαμε ένα διακριτό προφίλ για τους μέχρι τώρα γνωστούς αλόφιλους οργανισμούς. Παρατηρήσαμε ομοιότητες των προφίλ με μη αλόφιλα είδη, υποδηλώνοντας πιθανή συγκλίνουσα εξέλιξη ή οριζόντια μεταφορά γονιδίων. Επίσης, διαφορετικές πρωτεϊνικές ομάδες μέσα στα Halobacteria παρατηρήθηκε να εμφανίζουν διαφορές στα αμινοξικά τους προφίλ. Εκμεταλλευόμενοι τα δεδομένα αμινοξικών προφίλ, αναπτύξαμε το HaloPredictor, ένα εργαλείο που ανιχνεύει προσαρμογές αλατότητας σε πρωτεϊνικές αλληλουχίες, το οποίο είναι διαθέσιμο διαδικτυακά. Τέλος, αναλύοντας το παν-γονιδίωμα των Halobacteria, αποκαλύφθηκε ένα ανοιχτό παν-γονιδίωμα με πολλά νέα γονίδια. Μεταξύ 76 γονιδιωμάτων, ταυτοποιήθηκαν 814 βασικά γονίδια, 13752 συμπληρωματικά και 9010 μοναδικά γονίδια. Συνολικά εντοπίστηκαν 23576 συστάδες γονιδίων. Έγινε διερεύνηση των γονιδίων με πολλαπλά αντίγραφα, καθώς και λειτουργικός σχολιασμός. Η παρούσα διατριβή παρέχει πολύτιμα ευρήματα για μελλοντικές μελέτες πάνω στη μεταγονιδιωματική, την ιατρική και τη βιοτεχνολογία, προσφέροντας πληροφορίες για την περαιτέρω κατανόηση των ακραιόφιλων αλλά και την καλύτερη εκμετάλλευσή τους στη βιομηχανία.
description: Halophilic organisms thrive in environments with high NaCl content, displaying diverse metabolic strategies and adaptations. Research on halophiles has intensified in recent years as their adaptations, evolutionary history, and biotechnological potential are explored. In this PhD thesis, we first attempt to establish a database of these organisms and then analyze an extensive collection of representatives of the class Halobacteria (Archaea) in terms of their evolutionary relationships, amino acid profiles in their proteomes as well as their gene content. In particular, in a first stage, through an extensive literature search, over 1250 halophilic species from all three domains of life (Archaea, Bacteria, Eukaryotes) were recorded. These were organized in a database (HaloDom) along with a variety of metadata such as salinity range, habitat, taxonomic ranking, genomic data availability, etc., through an interface with user-friendly search functions. HaloDom is currently the most up-to-date and extensive online and freely available database of halophilic organisms and a useful repository for related research. In a second step, phylogenetic relationships in 124 Halobacteria and 33 outgroups were thoroughly investigated using 242 protein markers. The maximum likelihood phylogenetic tree obtained using the IQ-TREE program elucidates and updates previously problematic genealogical relationships of different groups of the Halobacteria clade. By examining amino acid profiles from Halobacteria, we confirmed previous findings and identified a distinct profile for previously known halophilic organisms. We observed similarities of profiles to non-halophilic species, suggesting possible convergent evolution or horizontal gene transfer. Also, different protein groups within Halobacteria were observed to show differences in their amino acid profiles. Taking advantage of the amino acid profile data, we developed HaloPredictor, a tool that detects salinity adaptations in protein sequences, which is available online. Finally, analyzing the Halobacteria pan-genome revealed an open pan-genome with several novel genes. Among 76 genomes, 814 core genes, 13752 accessory genes and 9010 cloud genes were identified for a total of 23576 gene clusters. An investigation of genes with multiple copies was performed, as well as functional annotation. This thesis provides valuable findings for future studies on metagenomics, medicine, and biotechnology, offering insights for further understanding of extremophiles and their better exploitation in industry.