Descripción general
La filogenómica amplía la filogenética tradicional al analizar datos de cientos o miles de genes en todo el genoma simultáneamente. Al aprovechar la información a escala del genoma, la filogenómica supera las limitaciones de las filogenias de un solo gen, que a menudo adolecen de señal insuficiente, variación de la tasa evolutiva específica del linaje y error estocástico. El mayor volumen de datos mejora drásticamente el poder estadístico, permitiendo la resolución incluso de las radiaciones evolutivas más desafiantes y rápidas. La filogenómica también expone incongruencias entre árboles de genes y árboles de especies causadas por una clasificación incompleta de linajes, duplicación de genes y transferencia horizontal de genes.
Conceptos clave
Un desafío central es la reconciliación entre árbol genético y árbol de especies. Debido a que los genes individuales pueden tener historias evolutivas que difieren del árbol de especies, los métodos filogenómicos deben tener en cuenta procesos como la clasificación de linaje incompleta (modelada por el coalescente multiespecie) y la duplicación y pérdida de genes. Los enfoques de concatenación alinean todos los genes en una supermatriz, mientras que los métodos basados en coalescencia analizan cada gen de forma independiente y luego resumen los resultados. La asignación de ortología (que distingue los ortólogos de los parálogos) es un paso de preprocesamiento crítico que se basa en una anotación precisa del genoma.
Flujo de trabajo práctico
Un análisis filogenómico comienza con la secuenciación del genoma y la anotación de la especie objetivo. La identificación de ortólogos es el primer paso computacional crítico: herramientas como OrthoFinder u OrthoMCL agrupan proteínas en ortogrupos basándose en la similitud de secuencia, utilizando búsquedas BLAST todos contra todos y agrupación de Markov. Para cada ortogrupo, las secuencias de proteínas se alinean utilizando MAFFT o Muscle, y las alineaciones se recortan con trimAl para eliminar las regiones mal alineadas. El investigador se enfrenta entonces a una elección metodológica fundamental entre los enfoques de concatenación y fusión. En el enfoque de concatenación (el método de supermatriz), todos los alineamientos de genes se unen en un único alineamiento grande y se infiere un árbol filogenético utilizando la máxima probabilidad con RAxML o IQ-TREE bajo un modelo dividido donde cada gen puede tener sus propios parámetros de modelo de sustitución. Este enfoque es computacionalmente eficiente pero supone que todos los genes comparten la misma topología de árbol. En cambio, el enfoque basado en coalescencia infiere un árbol genético separado para cada ortogrupo usando métodos rápidos de construcción de árboles, luego resume los miles de árboles genéticos individuales en un árbol de especies usando métodos como ASTRAL, que toma en cuenta la clasificación de linaje incompleta al encontrar el árbol de especies que maximiza el número de árboles de cuarteto compartidos. Comparar los resultados de concatenación y fusión es un diagnóstico valioso: las diferencias topológicas a menudo resaltan genes bajo selección o afectados por transferencia horizontal. El arranque (normalmente 100 réplicas) proporciona valores de soporte en cada nodo, y análisis adicionales, como las puntuaciones de certeza de los árboles, pueden identificar conflictos entre árboles genéticos.
Aplicaciones
La filogenómica ha resuelto debates de larga data sobre la filogenia profunda de los metazoos, la evolución de las plantas y la sistemática microbiana. Es esencial para estudiar la evolución adaptativa mediante la identificación de genes seleccionados positivamente entre linajes. El campo depende de la secuenciación de próxima generación para generar los datos necesarios de todo el genoma, basándose en enfoques clásicos de secuenciación de ADN. Los análisis filogenómicos de genomas bacterianos han remodelado nuestra comprensión de la genética bacteriana, revelando una extensa transferencia horizontal de genes y la naturaleza dinámica de los genomas procarióticos.
