[論文レビュー] TreeOTU: Operational Taxonomic Unit Classification Based on Phylogenetic Trees

Dongying Wu, Ladan Doroud+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2013

Genomics and Phylogenetic Studies参考文献 40被引用数 10

ひとこと要約

TreeOTUは、ssu-rRNAの代替としてタンパク質コード遺伝子群（PhyEcoマーカー）を用い、系統樹に基づくOTU分類手法を提案する。これは、コピー数変動や水平的遺伝子移動といった制限を克服し、系統的構造へのOTUの整合性を向上させ、複数のマーカー種別で既存の分類と同等の分類群を生成する。

ABSTRACT

Our current understanding of the taxonomic and phylogenetic diversity of cellular organisms, especially the bacteria and archaea, is mostly based upon studies of sequences of the small- subunit rRNAs (ssu-rRNAs). To address the limitation of ssu-rRNA as a phylogenetic marker, such as copy number variation among organisms and complications introduced by horizontal gene transfer, convergent evolution, or evolution rate variations, we have identified protein- coding gene families as alternative Phylogenetic and Phylogenetic Ecology markers (PhyEco). Current nucleotide sequence similarity based Operational Taxonomic Unit (OTU) classification methods are not readily applicable to amino acid sequences of PhyEco markers. We report here the development of TreeOTU, a phylogenetic tree structure based OTU classification method that takes into account of differences in rates of evolution between taxa and between genes. OTU sets built by TreeOTU are more faithful to phylogenetic tree structures than sequence clustering (non phylogenetic) methods for ssu-rRNAs. OTUs built from phylogenetic trees of protein coding PhyEco markers are comparable to our current taxonomic classification at different levels. With the included OTU comparing tools, the TreeOTU is robust in phylogenetic referencing with different phylogenetic markers and trees.

研究の動機と目的

• ssu-rRNAを系統的マーカーとして用いる際の制限、たとえばコピー数変動、水平的遺伝子移動、および速度の不均一性を克服すること。
• 系統的系統樹構造を尊重するOTU分類法を開発し、従来の類縁性閾値に依存しないこと。
• タンパク質コード遺伝子であるPhyEcoマーカーを用いて、rRNAに比べてより安定的かつ情報量が多い文脈で一貫したOTUの割り当てを可能にすること。
• 異なるマーカーおよび系統樹のトポロジーにわたる系統的リファレンシングのための堅牢なフレームワークを構築すること。

提案手法

• TreeOTUはssu-rRNA配列の代わりにタンパク質コード遺伝子群（PhyEcoマーカー）の系統樹を構築する。
• 系統樹のトポロジーと分岐長の情報を用いてOTUを定義し、異なる分類群および遺伝子間での進化的速度の差を考慮する。
• 系統樹構造に基づく階層的クラスタリングを実施し、進化的分岐度に応じて閾値を調整する。
• 異なる系統的マーカーおよび系統樹タイプ間でのOTUの比較とアラインメントを可能にするリファレンスベースのアプローチを組み込む。
• OTU比較ツールを統合し、異なるマーカー間での一貫性の確認と検証を可能にする。
• 従来のOTUクラスタリングで用いられる任意の類縁性閾値を避ける代わりに、系統的文脈における進化的距離に依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タンパく質コード遺伝子群は、ssu-rRNAの制限を克服する信頼できる系統的マーカーとしてOTU分類に適しているか？
• RQ2 系統樹構造に基づくOTU分類法は、類縁性に基づくクラスタリングと比較して、真の系統的関係をどれほどよく保持するか？
• RQ3 TreeOTUは、異なるマーカーを用いても、既存の分類体系と整合するOTUセットをどの程度得られるか？
• RQ4 多様な微生物系統において、系統樹のトポロジーおよびマーカー選択の変動に対して、TreeOTUはどの程度頑健か？

主な発見

• TreeOTUが生成するOTUは、従来のシーケンスクラスタリング手法と比較して、下位の系統樹構造への適合性が顕著に高い。
• PhyEcoマーカーに基づくTreeOTUが得るOTUは、複数の分類レベルで現在の分類体系と同等のものである。
• 本手法は、異なる系統的マーカー間で一貫したOTUリファレンシングを可能にし、マーカーおよび系統樹の変動に対して頑健であることを示した。
• TreeOTUは、系統的距離の違いを考慮することで、非系統的クラスタリングを上回る性能を発揮する。
• OTU比較ツールの導入により、マイクロバイアルコミュニティ解析における再現性および複数研究間の一貫性が向上した。
• タンパク質コード遺伝子を用いることで、水平的遺伝子移動や収束進化に起因するアーチファクトを低減し、より安定した進化的シグナルを提供する。