[論文レビュー] PanGeneHome : A Web Interface to Analyze Microbial Pangenomes

Camille Loiseau, Victor Hatte+17 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2018

Genomics and Phylogenetic Studies参考文献 28被引用数 3

ひとこと要約

PanGeneHome は、615 種の微生物ゲノム（182 種および 49 門）をカバーするウェブベースのプラットフォームであり、遺伝子保存度、パangenome およびコアゲノム曲線、遺伝子コアの類縁関係と平均アミノ酸相同性（AAI）に基づく系統樹、およびコア、付加的、固有の遺伝子の機能的アノテーションを提供することで、微生物のパangenome解析を可能にします。本ツールは、任意の選択された分類群間での比較解析を可能とし、パangenomeの探索を統合的かつ使いやすいインターフェースで実現します。

ABSTRACT

PanGeneHome is a web server dedicated to the analysis of available microbial pangenomes. For any prokaryotic taxon with at least three sequenced genomes, PanGeneHome provides (i) conservation level of genes, (ii) pangenome and core-genome curves, estimated pangenome size and other metrics, (iii) dendrograms based on gene content and average amino acid identity (AAI) for these genomes, and (iv) functional categories and metabolic pathways represented in the core, accessory and unique gene pools of the selected taxon. In addition, the results for these different analyses can be compared for any set of taxa. With the availability of 615 taxa, covering 182 species and 49 orders, PanGeneHome provides an easy way to get a glimpse on the pangenome of a microbial group of interest. The server and its documentation are available at http://pangenehome.lmge.uca.fr.

研究の動機と目的

• 多様な細菌類の分類群にわたる微生物パangenome解析のための集中型でアクセス可能なウェブインターフェースを提供すること。
• 複数の分類群を同時に比較することで、コア遺伝子プールおよび付加的遺伝子プールを含むパangenome特性を評価できること。
• コア、付加的、固有の遺伝子プール内の遺伝子の機能的アノテーションを統合し、生物学的解釈を支援すること。
• 少なくとも 3 つの塩基配列が決定済みの分類群に対して、パangenomeサイズとコアゲノム曲線、遺伝子保存度レベルなどの関連指標を推定すること。

提案手法

• 本プラットフォームは、細菌類の分類群で少なくとも 3 つの塩基配列が決定済みのものについて、公共のデータベースからゲノムデータを収集する。
• 類縁遺伝子クラスタを配列類似性とクラスタリングアルゴリズムを用いて同定することで、遺伝子保存度を算出する。
• ゲノムを段階的に追加しながら、一意の遺伝子と共有遺伝子の累積数を追跡することで、パangenomeおよびコアゲノム曲線を生成する。
• 系統的関係を反映するために、遺伝子コアの類似性と平均アミノ酸相同性（AAI）を用いて系統樹を構築する。
• COG や KEGG などのデータベースを用いて、遺伝子に機能的カテゴリーと代謝経路を割り当て、コア、付加的、固有の遺伝子プールごとに要約する。
• 統合されたウェブインターフェースを通じて、ユーザーが指定した分類群間での比較解析を可能とし、インタラクティブな可視化とエクスポート可能な結果を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 少なくとも 3 つの塩基配列が決定済みの異なる細菌類分類群において、パangenomeサイズおよびコアゲノムサイズはどのように変動するか？
• RQ2 特定の微生物群のコア、付加的、固有の遺伝子プールにおける機能的カテゴリーと代謝経路の分布はどのようになるか？
• RQ3 遺伝子コアに基づく系統樹と AAI に基づく系統樹は、近縁な微生物株の系統的関係をどの程度正確に反映するか？
• RQ4 遺伝子保存度や曲線のトレンドといったパangenome指標は、微生物種におけるゲノムの柔軟性をどの程度予測できるか？
• RQ5 複数の分類群にわたる比較的パangenome解析は、遺伝子の獲得・喪失・水平的遺伝子移動のパターンをどのように明らかにするか？

主な発見

• PanGeneHome は、615 種（182 種および 49 門）のパangenomeおよびコアゲノム曲線を提供し、系統的なパangenomeトレンド解析を可能にする。
• 本プラットフォームは、選択された各分類群のパangenomeサイズと遺伝子保存度レベルを推定し、ゲノム多様性の評価に定量的指標を提供する。
• 各分類群に対して遺伝子コアと AAI に基づく系統樹が生成され、系統的および機能的比較を支援する。
• COG や KEGG データベースを通じて、コア、付加的、固有の遺伝子の機能的アノテーションが可能となり、異なる遺伝子プールにおける経路の豊富さが明らかになる。
• ユーザーが定義した任意の分類群のセット間での比較解析が可能で、パangenome特性を並列で評価できる。
• ウェブインターフェースにより、非専門家でもインタラクティブに探索可能で、結果のエクスポートが可能となり、微生物ゲノム分野へのアクセス性が向上する。