Изучение эволюции бактерий остается непростой задачей. В отличие от более сложных организмов, расхождение геномных последовательностей у бактерий сильно зависит от частоты горизонтального переноса генов, который порождает мозаичную структуру бактериального генома: для пары бактерий разные гомологичные локусы обладают разным сродством. Этот же эффект мозаицизма порождается тем, что разные локусы подвержены отбору разной силы, так что они мутируют с разной скоростью.

Более того, из-за относительно быстрой смены поколений, нейтральные мутации накапливаются очень быстро и гомологию можно выявить только на консервативных локусах с относительно низкой скоростью мутаций. Вышеперечисленные свойства бактерий не позволяют напрямую использовать молекулярные часы полногеномных последовательностей. Вместо этого используются отдельные, медленно меняющиеся гены, иногда можно привязать эволюцию бактерий и их хозяев итп.



В настоящей работе мы построили модель эволюции бактериального генома. Модель учитывает разную скорость мутаций разных локусов и горизонтальный перенос генов. Предсказания рассмотренной модели очень хорошо описывают эмпирические данные: как меняется длина гомологичного участка у двух бактерия, среднее сродство, а другие геномные свойства с временем расхождения. Используя модель мы оценили времена расхождения для бактерий из семейства Enterobacteriaceae и построили ультраметрическое дерево продемонстрировав корректность и простоту метода.



Полученные результаты позволяют лучше понять как эволюционируют бактериальные геномы более робастно оценивать расхождение бактериальных видов на основе их полногеномных последовательностей.

Studying the evolution of bacteria remains a challenge. In contrast to more complex organisms, genomic sequence divergence in bacteria is highly dependent on the frequency of horizontal gene transfer, which generates a mosaic structure of the bacterial genome: for a pair of bacteria, different homologous loci have different similarity. The same mosaic effect is generated by the fact that different loci are subject to selection of different strengths, so that they mutate at different effective rates.

Moreover, due to the relatively short generation times, neutral mutations accumulate very quickly and homology can only be detected at conserved loci with a relatively low effective mutation rate. The above properties of bacteria do not allow direct use of the molecular clock of whole genome sequences. Instead, a few slowly changing genes are used, sometimes it is possible to link the evolution of bacteria and their hosts, etc.



In this work, we have constructed a model for the evolution of the bacterial genome. The model takes into account different mutation rates of different loci and horizontal gene transfer. The predictions of the considered model very well describe the empirical data: how changes the length of the homologous region in two bacteria, the average similairy, and other genomic properties with divergence time. Using the model, we estimated the divergence times for bacteria from the Enterobacteriaceae family and built an ultrametric tree demonstrating the correctness and simplicity of the method.



The obtained results shed light on evolution of bacterial genomes and allow us to assess the divergence of bacterial species more robustly, based on their whole genome sequences.