[論文レビュー] Synteny in Bacterial Genomes: Inference, Organization and Evolution

Ivan Junier, Olivier Rivoire|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2013

Genomics and Phylogenetic Studies被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、1,108種の細菌ゲノムを対象に、単純性に基づく手法を用いて相同領域（syntons）を同定し、小規模なsyntonsが普遍的な指数分布サイズを持つことを明らかにした。著者らは、ランダムな分解ではなく選択的遺伝子凝集がこれらのsyntons形成を駆動していることを示し、細菌ゲノム構造を形作る共通の進化的メカニズムの証拠を提示した。

ABSTRACT

Genes are not located randomly along genomes. Synteny, the conservation of their relative positions in genomes of different species, reflects fundamental constraints on natural evolution. We present approaches to infer pairs of co-localized genes from multiple genomes, describe their organization, and study their evolutionary history. In bacterial genomes, we thus identify synteny units, or "syntons", which are clusters of proximal genes that encompass and extend operons. The size distribution of these syntons divide them into large syntons, which correspond to fundamental macro-molecular complexes of bacteria, and smaller ones, which display a remarkable exponential distribution of sizes. This distribution is "universal" in two respects: it holds for vastly different genomes, and for functionally distinct genes. Similar statistical laws have been reported previously in studies of bacterial genomes, and generally attributed to purifying selection or neutral processes. Here, we perform a new analysis based on the concept of parsimony, and find that the prevailing evolutionary mechanism behind the formation of small syntons is a selective process of gene aggregation. Altogether, our results imply a common evolutionary process that selectively shapes the organization and diversity of bacterial genomes.

研究の動機と目的

• 系統的バイアスと不均一なサンプリングの影響を受ける大規模な細菌ゲノム群において、顕著な遺伝子共局在を信頼性高く同定する課題に取り組む。
• 2つ以上のゲノム間で共通する遺伝子の近接性を捉える上位のゲノム単位「syntons」を定義し、オペロンを拡張する相互に近接する遺伝子クラスタを捉える。
• 小規模なsyntonsの観察されたサイズ分布が中立的プロセスに起因するのか、それとも選択的進化的メカニズムに起因するのかを特定する。
• 祖先的インヒリタンスと選択的遺伝子凝集の相対的寄与が、syntenyの進化に与える影響を解明する。

提案手法

• 4,467個のCOGs（直系相同遺伝子クラスタ）を用い、1,108個の完全な細菌ゲノムを入力とし、相同性をガイドとして繰り返し修正を加えた相同性割り当てを適用する。
• 系統的距離の閾値δを用いて、近縁種や過剰に代表されている種のバイアスを低減するため、ゲノムの有効なサンプリングを定義し、類似度の逆数に比例して重み付けを行う。
• 遺伝子の近接性の統計的有意性を、均一なランダム配置を想定する帰無仮説モデルに基づき評価し、近接性のp値を算出し、それを指数分布に従う統計量に変換する。
• 20 kb以内の文脈的近接性基準を用い、複数のゲノムで互いに近接する遺伝子の最大集合としてsyntonsを同定する。
• 単純性に基づくモデルを用いてsyntenyの進化的ダイナミクスを推定し、ゲノムの3つ以上の遺伝子のクラスタやクライクから、遺伝子凝集確率（pA）と解離確率（pD）を推定する。
• ゲノム対間の遺伝的距離を定量化・補正するため、文脈の違い（δ）と配列の違い（δs）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 系統的バイアスが強い大規模な細菌ゲノム群において、遺伝子の顕著な共局在を信頼性高く同定する方法は何か？
• RQ2 2つ以上のゲノム間の関係を超えた、保存された遺伝子近接性の組織的構造は何か？また、syntonsは既知の機能的単位（例：オペロン）とどのように関係しているか？
• RQ3 観察された小規模syntonsの指数分布サイズを説明する進化的メカニズムとして、祖先的インヒリタンスと選択的遺伝子凝集のどちらが適切か？
• RQ4 小規模syntonsの指数分布サイズは、多様な細菌ゲノムおよび機能的カテゴリーにわたって普遍的であるか？

主な発見

• 既知の機能的単位（例：オペロン）に対応しない小規模なsyntonsは、多様な細菌ゲノムにおいて普遍的な指数分布サイズを示す。
• 小規模syntonsの指数分布サイズは、さまざまな誤り発見率に対して頑健であり、COGラベルをランダムに再配置すると消失するため、データ構造に起因するアーチファクトではないことが示された。
• 3つ以上の遺伝子を含むクライクにおいて、遺伝子凝集確率（pA）が解離確率（pD）を上回っていることから、選択的凝集がsyntenyの進化を駆動している強力な証拠が得られた。
• 大規模なsyntonsは、共通の祖先ゲノムからの不完全な解離によって保存された、基本的なマクロ分子複合体に対応していると考えられる。
• 中立的プロセスや緩和的選択だけでは、指数分布サイズの分布を説明できないが、遺伝子クラスタリングを好む選択的メカニズムによって説明可能である。
• 本手法は、大規模で機能的に整合性のある単位と、小規模で指数分布に従う単位という2つの異なるクラスのsyntonsを効果的に同定でき、後者の単位は選択的凝集によって進化的に形作られていることが明らかになった。