Horizontalni ili lateralni transfer gena (HGT ili LGT) je prijenos dijelova genomske DNK između organizama, procesom koji je odvojen od vertikalnog nasljeđivanja. U prisustvu HGT događaja, različiti fragmenti genoma su rezultat različitih evolucijskih historija. To stoga može zakomplicirati istraživanja evolucijske povezanosti loza i vrsta. Također, budući da HGT može u genome unijeti radikalno različite genotipove iz udaljenih loza, ili čak nove gene koji nose nove funkcije, on je glavni izvor fenotipskih inovacija i mehanizam adaptacija niše. Naprimjer, od posebnog značaja za ljudsko zdravlje je lateralni transfer determinanti otpornosti na antibiotike i patogenosti, što dovodi do pojave patogenih loza.

Zaključivanje o horizontalnom transferu gena putem računarske identifikacije HGT događaja oslanja se na istraživanje sastava sekvence ili evolucijske historije gena. Metodi zasnovano na sastavu sekvence ("parametarske") metodi traže odstupanja od genomskog prosjeka, dok pristupi zasnovani na evolucijskoj historiji ("filogenetski") pristupi identificiraju gene čija se evolucijska historija značajno razlikuje od one vrste domaćinske vrste. Evaluacija i poređenje metoda zaključivanja HGT-a obično se oslanjaju na simulirane genome, za koje je prava historija poznata. Na stvarnim podacima, različiti metodi imaju tendenciju da zaključuju o različitim HGT događajima, te kao rezultat toga može biti teško utvrditi sve osim jednostavnih i jasnih HGT događaja.

Pregled 445x445px|thumb|Konceptni pregled metoda inferencije o HGT-u. (1) Parametrijske metode zaključuju o HGT-u statisičkim izračunavanjem, ovdje GC sadržaja, za klizni prozor i upoređivanjem s tipičnim rasponom preko cijelog genoma, ovdje označenim između dvije crvene horizontalne linije. Za regije s atipičnim vrijednostima se zaključuje da su horizontalno prenesene. (2) Filogenetski pristupi oslanjaju se na razlike između gena i evolucijskog stabla vrsta koje proizlaze iz HGT-a. Eksplicitni filogenetski metodi rekonstruiraju genska stabla i zaključuju o HGT događajima koji su vjerovatno rezultirali tim određenim genskim stablom. Implicitne filogenetske metode zaobilaze rekonstrukciju genskog stabla, npr. proučavanjem razlika između parnih udaljenosti između gena i njihovih odgovarajućih vrsta. Horizontalni prijenos gena prvi put je uočen 1928. godine kada je Frederick Griffith u eksperimentu: pokazujući da je virulencija mogla preći s virulentnih na nevirulentne sojeve Streptococcus pneumoniae. Griffith je demonstrirao da se genetičke informacije mogu horizontalno prenositi između bakterija putem mehanizma poznatog kao transformacija. Slična zapažanja 1940-ih i 1950-ih pokazala su dokaze da su konjugacija i transdukcija dodatni mehanizmi horizontalnog transfera gena.

Da bi se zaključilo o HGT događajima, koji ne moraju nužno rezultirati promjenama fenotipa, većina savremenih metoda zasniva se na analizama podataka o genomskim sekvencama. Ovi metodi mogu se grubo podijeliti u dvije grupe: parametarijske i filogenetske. Parametrijski metodi traže dijelove genoma koji se značajno razlikuju od genomskog prosjeka, kao što su GC-sadržaj ili upotreba kodona. Filogenetski metodo ispituju evolucijske historije uključenih gena i identificiraju konfliktne filogeneze. Filogenetski metodi se dalje mogu podijeliti na one koje rekonstruiraju i eksplicitno upoređuju filogenetska stabla i one koje koriste surogatne mjere umjesto filogenetskih stabala.

Glavna karakteristika parametarskih metoda je da se oslanjaju samo na genom koji se proučava, kako bi zaključile o HGT događajima koji su se mogli dogoditi na njegovoj lozi. To je bila značajna prednost u ranim fazama ere sekvenciranja, kada je malo blisko povezanih genoma bilo dostupno za komparativne metode. Međutim, budući da se oslanjaju na ujednačenost potpisa domaćina za zaključivanje o HGT događajima, neuzimanje u obzir unutargenomske varijabilnosti domaćina rezultirat će pretjeranim predviđanjima – označavanjem izvornih segmenata kao mogućih HGT događaja. Slično tome, preneseni segmenti moraju pokazivati potpis donora i biti značajno različiti od primateljevih. Nadalje, genomski segmenti stranog porijekla podložni su istim mutacijskim procesima kao i ostatak genoma domaćina, pa razlika između njih s vremenom nestaje, proces koji se naziva amelioracija. Ovo ograničava sposobnost parametarskih metoda da detektuju drevne HGT-ove. Filogenetskei metodi imaju koristi od nedavne dostupnosti mnogih sekvenciranih genoma. Zaista, kao i sve metodi komparativne, filogenetski metodi mogu integrirati informacije iz više genoma, a posebno ih integrirati koristeći model evolucije. To im daje mogućnost da bolje karakteriziraju HGT događaje koje zaključuju – posebno određivanjem vrste donora i vremena transfera. Međutim, modeli imaju ograničenja i moraju se koristiti oprezno. Naprimjer, konfliktne filogeneze mogu biti rezultat događaja koje model nije uzeo u obzir, kao što je neprepoznata paralogija zbog duplikacija nakon čega slijedi gubici gena. Također, mnogi pristupi se oslanjaju na referentno stablo vrsta koje bi trebalo biti poznato, dok u mnogim slučajevima može biti teško dobiti pouzdano stablo. Konačno, računarski troškovi rekonstrukcije mnogih stabala gena/vrsta mogu biti pretjerano skupi. Filogenetsko metodi se obično primjenjuju na gene ili proteinske sekvence kao osnovne evolucijske jedinice, što ograničava njihovu sposobnost detekcije HGT-a u regijama izvan ili preko granica gena.

Zbog njihovih komplementarnih pristupa – i često nepreklapajućih skupova kandidata za HGT – kombinovanje predviđanja iz parametarskih i filogenetskih metoda može dati sveobuhvatniji skup kandidata za HGT. Zaista, kombinovanje različitih parametarskih metoda, kako je objavljeno, značajno poboljšava kvalitet predviđanja. Štaviše, u odsustvu sveobuhvatnog skupa pravih horizontalno prenesenih gena, razlike između različitih metoda mogu se riješiti kombinovanjem parametarskih i filogenetskih metoda. Međutim, kombinovanje zaključaka iz više metoda takođe nosi rizik povećane stope lažno pozitivnih. Parametrijski metodi Parametrijske metode za zaključivanje o HGT-u koriste karakteristike genomske sekvence specifične za određenu vrstu ili kladus, također zvanu genomski potpis. Ako fragment genoma snažno odstupa od genomskog potpisa, to je znak potencijalnog horizontalnog transfera. Naprimjer, budući da se sadržaj bakterijskog GC nalazi u širokom rasponu, sadržaj GC segmenta genoma je jednostavan genomski potpis. Uobičajeno korišteni genomski potpisi uključuju frekvencije nukleotidnog sastava, oligonukleotida, ili strukturne karakteristike genoma.

Da bi se detektovao HGT pomoću parametarskih metoda, genomski potpis domaćina mora biti jasno prepoznatljiv. citozib|Međutim, genom domaćina nije uvijek ujednačen u pogledu genomskog potpisa: naprimjer, GC sadržaj treće kodonske pozicije je niži blizu replikacije terminala , a GC sadržaj ima tendenciju da bude veći u genima s visokom ekspresijom. Neuzimanje u obzir takve intragenomske varijabilnosti u domaćinu može rezultirati prevelikim predviđanjima, označavajući izvorne segmente kao kandidate za HGT. Veći klizni prozori mogu objasniti ovu varijabilnost po cijenu smanjene sposobnosti detekcije manjih HGT regija.

Jednako važno, horizontalno preneseni segmenti moraju pokazivati genomski potpis donora. Ovo možda nije slučaj kod drevnih transfera gdje su prenesene sekvence podvrgnute istim mutacijskim procesima kao i ostatak genoma domaćina, što potencijalno uzrokuje da se njihovi različiti potpisi "poboljšaju" i postanu nedetektabilni putem parametarskih metoda. Naprimjer, Bdellovibrio bacteriovorus, predatorska δ-Proteobacterium, ima homogeni GC sadržaj, te se može zaključiti da je njen genom otporan na HGT. Međutim, naknadna analiza korištenjem filogenetskih metoda identificirala je niz drevnih HGT događaja u genomu B. bacteriovorus. Slično tome, ako je umetnuti segmenti prethodno bio poboljšan u genomu domaćina, kao što je slučaj kod insercija profaga, parametarski metodi mogu propustiti predviđanje ovih HGT događaja. Također, sastav donora mora se značajno razlikovati od sastava primatelja, da bi se identificirao kao abnormalan, stanje koje bi se moglo previdjeti u slučaju HGT-a kratke do srednje udaljenosti, koji su najčešći. Nadalje, objavljeno je da nedavno stečeni geni imaju tendenciju da budu AT-bogatiji od prosjeka primaoca, što ukazuje na to da razlike u GC-sadržaju mogu biti rezultat nepoznatih mutacijskih procesa nakon akvizicije, a ne genoma donora. Nukleotidni sastav 400px|thumb|right| Prosječan sadržaj GC kodirajućih regija u poređenju s veličinom genoma za odabrane bakterije. Postoje značajne varijacije u prosječnom sadržaju GC među vrstama, što ga čini relevantnim kao genomski potpis.

Sadržaj bakterijskog GC kreće se u širokom rasponu, sa Zinderia insecticola sa sadržajem GC od 13,5% i Anaeromyxobacter dehalogenans sa sadržajem GC od 75%. Čak i unutar blisko povezane grupe α-Proteobacteria, vrijednosti se kreću od približno 30% do 65%. Ove razlike se mogu iskoristiti pri detekciji HGT događaja jer značajno drugačiji sadržaj GC za segment genoma može biti pokazatelj stranog porijekla.

Oligonukleotidni spektar Oligonukleotidni spektar (ili k-mer frekvencije) mjeri frekvenciju svih mogućih nukleotidnih sekvenci određene dužine u genomu. Ima tendenciju da manje varira unutar genoma nego između genoma i stoga se može koristiti i kao genomski potpis. Odstupanje od ovog potpisa sugerira da je genomski segment možda stigao horizontalnim transferom. Spektar oligonukleotida duguje veliki dio svoje diskriminativne moći broju mogućih oligonukleotida: ako je n veličina vokabulara, a w veličina oligonukleotida, broj mogućih različitih oligonukleotida je nw; naprimjer, postoji 45=1024 mogućih pentanukleotida. Neki metodi mogu uhvatiti signal zabilježen u motivima promjenjive veličine, čime se hvataju i rijetki i diskriminativni motivi zajedno s čestim, ali češćim.

Pristrasnost korištenja kodona, mjera povezana s učestalošću kodona, bila je jedna od prvih metoda detekcije korištenih u metodskim procjenama HGT-a. Ovaj pristup zahtijeva genom domaćina koji sadrži pristrasnost prema određenim sinonimnim kodonima (različitim kodonima koji kodiraju istu aminokiselinu) koja se jasno razlikuje od pristrasnosti pronađene unutar donorskog genoma. Najjednostavniji oligonukleotid koji se koristi kao genomski potpis je dinukleotid, naprimjer, treći nukleotid u kodonu i prvi nukleotid u sljedećem kodonu predstavljaju dinukleotid koji je najmanje ograničen preferencijama aminokiselina i upotrebom kodona.

Važno je optimizirati veličinu kliznog prozora u kojem se broji frekvencija oligonukleotida: veći klizni prozor će bolje ublažiti varijabilnost u genomu domaćina, ali će biti lošiji u detekciji manjih HGT regija. Dobar kompromis zabilježen je korištenjem frekvencija tetranukleotida u kliznom prozoru od 5kb s korakom od 0,5 kilobaza.

Pogodan metod modeliranja genomskih potpisa oligonukleotida je korištenje Markovljevih lanaca. Matrica vjerojatnoća prelazi mogu se izvijestiti za endogene u odnosu na stečene gene, iz kojih se može dobiti Bayesova posteriorne vjerojatnosti za određene dijelove DNK.

Strukturne karakteristike Baš kao što se nukleotidni sastav molekule DNK može predstaviti nizom slova, njena strukturna svojstva mogu se kodirati numeričkim nizom. Strukturne karakteristike uključuju energije interakcije između susjednih baznih parova, ugao uvijanja koji čini dvije baze para ne-koplanarnost, ili deformabilnost DNK indukovanu proteinima koji oblikuju hromatin.