[論文レビュー] How and where to look for tRNAs in Metazoan mitochondrial genomes, and what you might find when you get there

David A. Morrison|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2010

Genomics and Phylogenetic Studies参考文献 46被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ARWENおよびDOGMAプログラムを用いた比較的分析を通じて、後生動物ミトコンドリアゲノムにおけるtRNA検出を評価し、1つのツールではすべてのtRNA遺伝子を捉えきれないことが判明した。両者のツールは相補的な偽陰性を示す。また、公開データベースにおける広範なアノテーション誤りを特定し、二重機能領域やD-およびT-ループを欠くtRNAの新しい仮説を支持する。

ABSTRACT

The ability to locate and annotate mitochondrial genes is an important practical issue, given the rapidly increasing number of mitogenomes appearing in the public databases. Unfortunately, tRNA genes in Metazoan mitochondria have proved to be problematic because they often vary in number (genes missing or duplicated) and also in the secondary structure of the transcribed tRNAs (T or D arms missing). I have performed a series of comparative analyses of the tRNA genes of a broad range of Metazoan mitogenomes in order to address this issue. I conclude that no single computer program is necessarily capable of finding all of the tRNA genes in any given mitogenome, and that use of both the ARWEN and DOGMA programs is sometimes necessary because they produce complementary false negatives. There are apparently a very large number of erroneous annotations in the databased mitogenome sequences, including missed genes, wrongly annotated locations, false complements, and inconsistent criteria for assigning the 5' and 3' boundaries; and I have listed many of these. The extent of overlap between genes is often greatly exaggerated due to inconsistent annotations, although notable overlaps involving tRNAs are apparently real. Finally, three novel hypotheses were examined and found to have support from the comparative analyses: (1) some organisms have mitogenomic locations that simultaneously code for multiple tRNAs; (2) some organisms have mitogenomic locations that simultaneously code for tRNAs and proteins (but not rRNAs); and (3) one group of nematodes has several genes that code for tRNAs lacking both the D and T arms.

研究の動機と目的

• 公開のミトコンドリアゲノムデータベースにおけるtRNA遺伝子アノテーションの不一致および不正確さの課題に対処する。
• 後生動物ミトコンドリアゲノムにおけるtRNA検出に用いられる既存の計算ツール（ARWENおよびDOGMA）の信頼性と限界を評価する。
• tRNAアノテーションにおける体系的誤り、例えば遺伝子の漏れ、境界の誤り、偽の補完配列の特定。
• 例えばtRNAが重複領域や二重機能領域にコードされているような、新規のゲノム配置の生物学的妥当性を調査する。
• 特定の線虫の系統において、D-およびT-アーム構造を両方欠くtRNAが存在するかどうかを評価する。

提案手法

• tRNA遺伝子検出の正確性を評価するために、広範な後生動物ミトコンドリアゲノムの比較的分析を実施する。
• ARWENおよびDOGMAプログラムを用いてtRNA遺伝子を予測し、その出力を比較することで、相補的な偽陰性を同定する。
• 予測されたtRNAの二次構造を分析し、特に線虫においてD-またはT-ループが欠落しているかを検出する。
• 遺伝子間のゲノムオーバーラップ、特にtRNAの位置と境界を焦点として、アノテーションの一貫性を評価する。
• 予測されたtRNAの位置を既存の出版アノテーションと照合し、5′/3′境界の誤りや偽の補完配列などの不一致を特定する。
• 3つの新規仮説を検証する：(1) 単一の遺伝子座で二重のtRNAがコードされること、(2) tRNAとタンパク質の共位置、(3) 線虫においてD-およびT-アームを両方欠くtRNAの存在。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ現在のtRNA検出ツール（ARWENおよびDOGMA）は、後生動物ミトコンドリアゲノムにおいてすべてのtRNA遺伝子を同定できないのか？
• RQ2 公開データベースにおけるtRNA遺伝子アノテーションはどの程度不正確であり、主にどのような種類の誤りが顕在しているのか？
• RQ3 後生動物ミトコンドリアゲノムに、複数のtRNAやtRNAとタンパク質の両方を同時にコードする遺伝子領域が存在するのか？
• RQ4 後生動物ミトコンドリアにおいて、D-アームおよびT-アーム構造を両方欠くtRNA遺伝子が存在するのか、もしあるならどの分類群に属するのか？
• RQ5 境界の不一致および補完配列の誤ったアノテーションは、ミトコンドリアゲノムにおける遺伝子オーバーラップの解釈にどのように影響を与えるのか？

主な発見

• ARWENおよびDOGMAのいずれのtRNA検出プログラムでも、後生動物ミトコンドリアゲノムにおけるすべてのtRNA遺伝子を同定できない。両者は相補的な偽陰性を示す。
• 公開データベースにおけるtRNAアノテーションの多くは誤りであり、遺伝子の漏れ、5′/3′境界の誤り、偽の補完配列、境界の割り当て基準の不一致が含まれる。
• アノテーションの不一致により、遺伝子オーバーラップがしばしば誇張されているが、一部のtRNA関連オーバーラップは生物学的に現実のものである。
• 本研究では、特定の後生動物系統において、複数のtRNAを同時にコードするゲノム領域が存在することを裏付ける証拠を提供する。
• 特定の線虫グループに、D-およびT-アーム構造を両方欠くtRNA遺伝子が存在することを示す証拠がある。
• 本研究では、複数のミトコンドリアゲノムにわたり、多数の具体的なアノテーション誤りを同定・リスト化し、自動予測の手作業による検証と照合の必要性を強調する。