[論文レビュー] Increasing biological complexity is positively correlated with the relative genome-wide expansion of non-protein-coding DNA sequences

Ryan J. Taft, John S. Mattick|ArXiv.org|Jan 15, 2004

RNA and protein synthesis mechanisms参考文献 79被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、真核生物における生物学的複雑性の増加が、ゲノム全体における非タンパク質コードDNA（ncDNA）の相対的拡大と強く相関することを提案している。85種の塩基配列が決定された生物を分析した結果、原核生物ではncDNA/tgDNA比が0.05–0.24であるのに対し、複雑な多細胞生物では0.62–0.985にまで上昇しており、非コードDNAが単なる進化的「ごみ」ではなく、ゲノム的および機能的複雑性の主要因である可能性を示唆している。

ABSTRACT

Background: Prior to the current genomic era it was suggested that the number of protein-coding genes that an organism made use of was a valid measure of its complexity. It is now clear, however, that major incongruities exist and that there is only a weak relationship between biological complexity and the number of protein coding genes. For example, using the protein-coding gene number as a basis for evaluating biological complexity would make urochordates and insects less complex than nematodes, and humans less complex than rice. Results: We analyzed the ratio of noncoding to total genomic DNA (ncDNA/tgDNA) for 85 sequenced species and found that this ratio correlates well with increasing biological complexity. The ncDNA/tgDNA ratio is generally contained within the bandwidth of 0.05-0.24 for prokaryotes, but rises to 0.26-0.52 in unicellular eukaryotes, and to 0.62-0.985 for developmentally complex multicellular organisms. Significantly, prokaryotic species display a non-uniform species distribution approaching the mean of 0.1177 ncDNA/tgDNA (p=1.58 x 10^-13), and a nonlinear ncDNA/tgDNA relationship to genome size (r=0.15). Importantly, the ncDNA/tgDNA ratio corrects for ploidy, and is not substantially affected by variable loads of repetitive sequences. Conclusions: We suggest that the observed noncoding DNA increases and compositional patterns are primarily a function of increased information content. It is therefore possible that introns, intergenic sequences, repeat elements, and genomic DNA previously regarded as genetically inert may be far more important to the evolution and functional repertoire of complex organisms than has been previously appreciated.

研究の動機と目的

• タンパク質コード遺伝子数の相関が生物の複雑性と弱いことから、タンパク質コード遺伝子数に依存しない生物学的複雑性の再評価を目的とする。
• 非タンパク質コードDNA（ncDNA）含有量が、タンパク質コード遺伝子数よりも生物学的複雑性と強く相関するかを調査すること。
• 非コードDNAと全ゲノムDNAの比（ncDNA/tgDNA）が、ゲノム複雑性の強固で、倍数性補正済みの指標として機能するかを同定すること。
• 繰り返し配列や倍数性レベルが、ncDNAと複雑性の関係を歪めるかどうかを評価すること。
• 非コードDNAが機能的に不活性であるという仮定に反論し、それを調節的および進化的情報の貯蔵庫として提案すること。

提案手法

• 原核生物、単細胞真核生物、多細胞真核生物をカバーする85種の塩基配列が決定された生物のゲノム全体のDNA構成データを収集した。
• 各生物について、非コードDNA（ncDNA）を全ゲノムDNA（tgDNA）で除算したncDNA/tgDNA比を計算し、相対的な非コードDNA含有量を定量化した。
• 分類群にわたるncDNA/tgDNAの傾向の有意性を評価するために、統計解析（p値、相関係数）を用いた。
• 倍数性の影響を補正するために、ncDNA/tgDNA比を正規化し、ゲノムコピー数の影響による歪みを避けるようにした。
• ゲノムサイズとncDNA/tgDNA比の関係を調査し、原核生物では非線形相関（r = 0.15）を同定した。
• ncDNA/tgDNA比の種間分布を比較することで、非一様性を検証し、機能的制約または中立的進化が反映されているかどうかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様な生物において、非タンパク質コードDNAの相対的割合（ncDNA/tgDNA）は生物学的複雑性の上昇とともに増加するか？
• RQ2 ncDNA/tgDNA比は、原核生物、単細胞真核生物、そして発生的に複雑な多細胞真核生物の間でどのように変動するか？
• RQ3 ncDNA/tgDNA比は、倍数性や繰り返し配列含有量の変動に対して頑健か？
• RQ4 ncDNA/tgDNA比は、タンパク質コード遺伝子数よりも生物学的複雑性のより良い指標として機能できるか？
• RQ5 種間におけるncDNA/tgDNA比の分布は、非コードDNAの機能的役割について何を示唆するか？

主な発見

• 原核生物ではncDNA/tgDNA比は0.05～0.24、単細胞真核生物では0.26～0.52、発生的に複雑な多細胞生物では0.62～0.985にまで上昇する。
• 原核生物ではncDNA/tgDNA比の分布が非一様であり、平均が0.1177で、p値が1.58 × 10⁻¹³と極めて有意であるため、ランダムでない変動であることが示された。
• 原核生物におけるゲノムサイズとncDNA/tgDNA比の関係は非線形であり、相関係数はr = 0.15であった。
• ncDNA/tgDNA比は、倍数性や繰り返し配列の変動の影響をほとんど受けないため、比較ゲノム学における安定した指標である。
• ncDNA/tgDNA比の上昇と生物学的複雑性の間の強い相関関係は、非コードDNAが機能的に不活性であるという見方を覆すものである。
• 研究結果は、インtron、インターリンク領域、繰り返し配列が、複雑な生物における情報含有量および進化的イノベーションに寄与している可能性を示唆している。