[論文レビュー] DrosOCB: a high resolution map of conserved non coding sequences in Drosophila

L. Martignetti, Michele Caselle+2 more|ArXiv.org|Oct 8, 2007

Genomics and Phylogenetic Studies参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、局所アラインメントと全ゲノム・ジェノタイプ中心の解析を組み合わせた画期的な「globaL」アラインメント戦略を用いて、ドーロサフィラに存在する保存領域非コーディング配列（CNBs）の高解像度マップ、DrosOCBを提示する。この手法は、従来の全ゲノムアラインメントでは検出できなかった小規模ゲノム再編成（逆位、複数化、転座など）を同定でき、系統が遠く離れた種において最大30％のCNBsが逆位していることが判明し、調節領域の広範な構造的可塑性を示している。

ABSTRACT

Comparative genomics methods are widely used to aid the functional annotation of non coding DNA regions. However, aligning non coding sequences requires new algorithms and strategies, in order to take into account extensive rearrangements and turnover during evolution. Here we present a novel large scale alignment strategy which aims at drawing a precise map of conserved non coding regions between genomes, even when these regions have undergone small scale rearrangments events and a certain degree of sequence variability. We applied our alignment approach to obtain a genome-wide catalogue of conserved non coding blocks (CNBs) between Drosophila melanogaster and 11 other Drosophila species. Interestingly, we observe numerous small scale rearrangement events, such as local inversions, duplications and translocations, which are not observable in the whole genome alignments currently available. The high rate of observed low scale reshuffling show that this database of CNBs can constitute the starting point for several investigations, related to the evolution of regulatory DNA in Drosophila and the in silico identification of unannotated functional elements.

研究の動機と目的

• 系統が大きく異なるドーロサフィラにおいても、小規模ゲノム再編成に起因する保存非コーディング配列（CNBs）を高解像度で同定する手法を開発すること。
• 従来の全般的・局所的アラインメント手法の限界を克服し、非コーディングDNAにおける小規模再編成を検出すること。
• 12種のドーロサフィラにおいて、機能的および進化的ゲノム研究を支援するため、全ゲノムスケールのCNBsの包括的カタログを作成すること。
• 特に逆位のような小規模再編成の頻度と分布を含めた、調節DNAの進化的ダイナミクスを調査すること。

提案手法

• ドーロサフィラ・メラノガステルと他の11種との間で、遺伝子上流・下流およびイントロン領域を遺伝子中心のアプローチでアラインメントする。
• オルソログ遺伝子を囲む非コーディング領域（インターロージンおよびイントロン）に対して局所アラインメントを適用し、遺伝子の方向性に合わせて配列を整列させる。
• 繰り返し配列はRepeatMaskerを用いてマスクし、アラインメントにおける誤検出を低減する。
• 感受性の高い局所アラインメントアルゴリズムを採用し、スコア閾値を高く（2200）に設定し、FDRを0.8×10⁻³に抑えることで特異性を確保しノイズを低減する。
• 隣接する遺伝子の上流または下流とみなされるインターロージン領域における重複アラインメントを後処理で除去する。
• 得られたCNBsは、UCSCゲノムブラウザのカスタムトラックとして可視化され、ストランド方向性が色分け（相同性：グレー、逆位：赤）で示される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーロサフィラ種の保存非コーディング領域において、逆位を含む小規模ゲノム再編成はどの程度の頻度で発生するか？
• RQ2 機能的制約があるにもかかわらず、保存非コーディング配列が、複数化や転座を含む構造的可塑性を示す程度はどの程度か？
• RQ3 X染色体では、アリオスモムに比べて、逆位したCNBsがより顕著に見られる領域があるか？
• RQ4 高解像度で局所的かつ全ゲノムスケールのアラインメント戦略は、従来の全ゲノムアラインメント手法で見逃されたレギュラトリードナの再編成を検出できるか？
• RQ5 ドーロサフィラ系統における異なる進化的距離において、CNBsの分布と保存度はどのようになっているか？

主な発見

• CNBsの平均サイズは50 bpから94 bpの範囲にあり、イントロン領域ではインターロージン領域に比べて短いブロックが観察された。
• ソフォフォラ亜属とは系統が離れた種、例えばD. virilis、D. mojavensis、D. grimshawiとの対比較では、最大30％のCNBsが逆位していることが判明した。
• 逆位したCNBsは、インターロージン領域とイントロン領域の両方でほぼ同等の頻度で観察され、両領域で類似した進化的ダイナミクスが存在することが示唆された。
• X染色体ではアリオスモムに比べて、逆位したCNBsの割合が顕著に高く、X染色体に特有の高い構造的可塑性が示された。
• ホワイト遺伝子のイントロン内に位置する66-bpのCNBは、90％の相同性を示し、D. mojavensis、D. virilis、D. grimshawiで逆位していることが確認され、系統特異的な局所的逆位の可能性が示唆された。
• スコア閾値を厳密に設定した（2200、FDR = 0.8×10⁻³）DrosOCBデータベースは、後続の機能的および進化的解析に役立つ信頼性の高い高解像度マップを提供している。