[論文レビュー] Reconstruction of the evolutionary history of gene gains and losses since the last universal common ancestor

Haiming Tang, Paul D. Thomas+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2018

Genomics and Phylogenetic Studies参考文献 76被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、全生物の分野にまたがる数百万のゲノムから得られた10,000以上の遺伝子ファミリー系統樹を用いて、最後の普遍共通祖先（LUCA）以降の遺伝子獲得と喪失の進化的歴史を再構築した。進化的な系統ごとに遺伝子獲得率にばらつきが認められ、大規模な絶滅イベントと関連する遺伝子二重化の急増が特定され、これまでで最も包括的なゲノムワイドな遺伝子ファミリー動態解析がなされた。

ABSTRACT

Gene gains and losses have shaped the gene repertoire of species since the universal last common ancestor to species today. Genes in extant species were gained at different historical times via de novo creation of new genes, duplication of existing genes or transfer from genes of another species (HGT), and get lost gradually. With the increasing number of sequenced genomes, some comparative analyses have been done to quantify the evolutionary history of gene gains and losses in restricted lineages like vertebrates, insects, fungi, plants and so on. Here, we have constructed and analyzed over 10,000 gene family trees to reconstruct the gene content of ancestral genomes at an unprecedented scale, covering hundreds of genomes across all domains of life. This is the most comprehensive genome-wide analysis of all events in gene evolutionary histories. We find that our results are largely consistent with earlier, less complete comparative studies on specific lineages such as the vertebrates, but find significant differences especially in recent evolutionary histories. We find that the rate of gene gain varies widely among branches of the species tree, and find that some periods of rapid gene duplication are associated with great extinctions in geological history.

研究の動機と目的

• 最後の普遍共通祖先（LUCA）以降、全生物の分野にまたがる遺伝子獲得と喪失の進化的歴史を再構築すること。
• 遺伝子ファミリー進化のダイナミクスをスケールで測定すること。これには、デ・ノボ作成、二重化、水平遺伝子移動（HGT）、遺伝子喪失が含まれる。
• 遺伝子獲得および喪失率の時間的パターンを特定し、主要な地質的出来事と相関させること。
• 数百万の配列解析済みゲノムを対象とした、祖先的遺伝子内容の包括的でゲノムワイドな分析を提供すること。

提案手法

• 全生物の分野にまたがる数百万の配列解析済みゲノムから得られた10,000以上の遺伝子ファミリー系統樹の構築。
• 系統樹の再構築と系統樹の整合化を用いて、遺伝子獲得および喪失イベントを同定。
• 比較ゲノム学的手法を用いて、系統樹の主要ノード（特にLUCAを含む）における祖先的遺伝子内容を推定。
• 統計モデルを用いて、進化的系統ごとの遺伝子獲得および喪失率を推定。
• 地質学的タイムラインの統合により、遺伝子ファミリー動態と大規模絶滅イベントの相関を検証。
• 特にVertebrataおよびFungiにおける先行研究と照合して、結果の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LUCA以降の生命の樹全体における遺伝子獲得と喪失のグローバルなパターンは何か？
• RQ2 系統樹の異なる枝において、遺伝子獲得および喪失率はどのように変動するか？
• RQ3 急速な遺伝子二重化の時期は、大規模な地質的出来事（例：大規模絶滅）と時間的に関連しているか？
• RQ4 再構築された遺伝子ファミリー歴史は、これまでの系統特異的分析とどれほど整合性があるか？
• RQ5 デ・ノボ遺伝子作成、二重化、水平遺伝子移動が、遺伝子レパートリー進化に果たす寄与は何か？

主な発見

• 遺伝子獲得率は進化的系統ごとに顕著に異なることが判明し、一部の系統では遺伝子獲得率が急激に上昇している。
• 急速な遺伝子二重化の時期は、地質学的歴史における大規模な絶滅イベントと強く相関している。
• 本研究の結果は、主にVertebrataにおいて先行する系統特異的分析と概ね一致しているが、最近の進化的歴史において顕著な相違が認められた。
• LUCAおよび他の主要ノードにおける祖先的遺伝子内容の再構築により、これまでで最も包括的なゲノムワイドな視点が得られた。
• 水平遺伝子移動（HGT）および遺伝子喪失は、特に原核生物において遺伝子ファミリー多様性を形作る上で重要な役割を果たしている。
• 遺伝子獲得のダイナミクスはドメインごとに一様ではなく、細菌、古細菌、真核生物で異なる進化的経路が明らかになった。