[논문 리뷰] Chargaff's "Grammar of Biology": New Fractal-like Rules

M. E. B. Yamagishi, Roberto H. Herai|Portuguese National Funding Agency for Science, Research and Technology (RCAAP Project by FCT)|2011. 12. 07.

Genomics and Phylogenetic Studies참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 다양한 생물에서 발견된 분수형 자기유사성을 띠는 새로운 불변 유전자 규칙을 규명함으로써 찰가프의 '생물학의 문법'을 확장한다. 서열 구성 분석과 척도 불변성 분석을 통해 저자들은 이러한 규칙이 여러 척도에서 지속됨을 밝혀내었으며, 이는 단일 독독성 시퀀싱 편향 탐지 및 게놈 어셈블리 품질 평가에 잠재적인 응용 가능성을 제시한다.

ABSTRACT

Chargaff once said that "I saw before me in dark contours the beginning of a grammar of Biology". In linguistics, "grammar" is the set of natural language rules, but we do not know for sure what Chargaff meant by "grammar" of Biology. Nevertheless, assuming the metaphor, Chargaff himself started a "grammar of Biology" discovering the so called Chargaff's rules. In this work, we further develop his grammar. Using new concepts, we were able to discovery new genomic rules that seem to be invariant across a large set of organisms, and show a fractal-like property, since no matter the scale, the same pattern is observed (self-similarity). We hope that these new invariant genomic rules may be used in different contexts since short read data bias detection to genome assembly quality assessment.

연구 동기 및 목표

• 유전자 서열에서 새로운 불변 규칙을 규명함으로써 찰가프의 기초적인 '생물학의 문법'을 확장하는 것.
• 이러한 규칙이 다양한 척도에서 자기유사성을 보이는지 조사하는 것, 이는 분수형 성질을 시사한다.
• 이 규칙들이 단일 독독성 시퀀싱 데이터의 편향을 탐지하고 게놈 어셈블리 품질을 평가하는 도구로 사용될 수 있는지 탐색하는 것.
• 서열 구성과 게노믹스에서 척도 불변 패턴을 연결하는 정량적 프레임워크를 수립하는 것.
• 이러한 규칙이 다양한 분류군에 걸쳐 보편적인가를 검증하는 것.

제안 방법

• 다양한 생물의 게놈 데이터를 대상으로 서열 구성 분석을 적용하여 반복적인 패턴을 탐지하였다.
• 다양한 서열 창 크기에서 척도 분석을 사용하여 자기유사성을 테스트하였으며, 분수형 행동을 드러내었다.
• 다양한 척도에서 핵산 조성의 균형과 분포에 기반한 새로운 불변 규칙을 정의하였다.
• 관측된 패턴을 무작위 또는 재배열된 서열과 비교하기 위해 계산 기법을 활용하여 비랜덤성을 확인하였다.
• 세균, 진핵생물, 바이러스 등에서 규칙의 강건성을 검증하여 광범위한 적용 가능성을 입증하였다.
• 통계적 및 계산 기법을 사용하여 관측된 패턴의 불변성과 척도 자유성(스케일프리 성질)을 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 생물에서 분수형 자기유사성을 띠는 새로운 유전자 규칙이 존재하는가?
• RQ2 이러한 규칙은 다양한 서열 척도와 게놈 맥락에서 불변적인가?
• RQ3 이 규칙들을 단일 독독성 시퀀싱 데이터의 편향을 탐지하는 데 사용할 수 있는가?
• RQ4 보편성과 예측 능력 측면에서 이 규칙들은 찰가프의 원래 규칙과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 규칙들이 게놈 조직의 내재된 생물학적 제약을 어느 정도 반영하는가?

주요 결과

• 저자들은 박테리아, 고세균, 진핵생물를 포함한 광범위한 생물군에서 지속적으로 불변하는 새로운 유전자 규칙을 발견하였다.
• 이 규칙들은 여러 척도에서 자기유사성을 보이며, 유전자 서열에 분수형 구조가 있음을 시사한다.
• 서열이 재배열된 후에도 이러한 패턴이 유지되므로, 이는 랜덤한 잡음이나 오류가 아니라는 것을 시사한다.
• 이 규칙들은 번역 영역과 비번역 영역 양쪽 모두에서 탐지 가능하므로, 게놈 구조의 근본적인 역할을 한다는 것을 시사한다.
• 다양한 분류군에 걸쳐 이러한 규칙의 불변성이 관찰됨으로써, 게놈 조직에 보편적인 원칙이 존재한다는 것을 시사한다.
• 연구 결과는 이러한 규칙들이 시퀀싱 편향 탐지 및 게놈 어셈블리 품질 평가에 실용적인 응용 가능성을 지닌다는 것을 시사한다.