[논문 리뷰] DrosOCB: a high resolution map of conserved non coding sequences in Drosophila

L. Martignetti, Michele Caselle외 2명|ArXiv.org|2007. 10. 08.

Genomics and Phylogenetic Studies참고 문헌 13인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 Drosophila에서 보존된 비코딩 서열(CNBs)의 고해상도 지ap을 제시한다. 새로운 'globaL' 정렬 전략을 사용하여 국소 정렬과 전장 유전체, 유전자 중심 분석을 융합한 방법을 개발하였다. 이 방법은 기존의 전체 유전체 정렬로는 감지되지 않았던 소규모 게놈 재배열(역전, 중복, 이동 등)을 탐지할 수 있으며, 먼 친연 관계를 가진 종들에서 최대 30%의 CNBs가 역전되어 있음을 확인하여 조절 영역의 광범위한 구조적 유연성(플라스티시티)을 시사한다.

ABSTRACT

Comparative genomics methods are widely used to aid the functional annotation of non coding DNA regions. However, aligning non coding sequences requires new algorithms and strategies, in order to take into account extensive rearrangements and turnover during evolution. Here we present a novel large scale alignment strategy which aims at drawing a precise map of conserved non coding regions between genomes, even when these regions have undergone small scale rearrangments events and a certain degree of sequence variability. We applied our alignment approach to obtain a genome-wide catalogue of conserved non coding blocks (CNBs) between Drosophila melanogaster and 11 other Drosophila species. Interestingly, we observe numerous small scale rearrangement events, such as local inversions, duplications and translocations, which are not observable in the whole genome alignments currently available. The high rate of observed low scale reshuffling show that this database of CNBs can constitute the starting point for several investigations, related to the evolution of regulatory DNA in Drosophila and the in silico identification of unannotated functional elements.

연구 동기 및 목표

• 소규모 게놈 재배열이 광범위하게 존재하는 Drosophila에서 보존된 비코딩 서열(CNBs)을 고해상도로 식별하는 방법을 개발하기 위해.
• 표준 전역 및 국소 정렬 방법이 비코딩 DNA에서 소규모 재배열을 탐지하는 데 한계를 가진다는 점을 극복하기 위해.
• 12개의 Drosophila 종에 걸쳐 전장 유전체 범위의 CNBs 총합 카탈로그를 구축하여 기능적 및 진화 게놈학 연구를 위해 제공하기 위해.
• 특히 역전과 같은 소규모 재배열의 빈도와 분포를 포함한 조절 DNA의 진화적 역학을 조사하기 위해.

제안 방법

• Drosophila melanogaster와 다른 11개 종 사이의 동일 유전자 상위, 하류 및 인트론 영역을 유전자 중심으로 정렬한다.
• 유전자 방향성에 맞게 정렬되도록 유전자 간격 및 인트론 영역에 국소 정렬을 적용한다.
• 반복 서열은 RepeatMasker를 사용하여 마스킹하여 정렬에서 잘못된 양성 결과를 줄인다.
• 감도가 높은 국소 정렬 알고리즘을 사용하며, 정밀도를 높이고 노이즈를 줄이기 위해 높은 점수 임계치(2200)와 FDR 0.8×10⁻³을 설정한다.
• 이웃 유전자 상위 또는 하류로 간주되는 유전자 간격 영역에서 중복된 정렬을 후처리 단계에서 제거한다.
• 최종적으로 생성된 CNBs는 UCSC 게놈 브라우저 커스텀 트랙을 통해 시각화되며, 색상으로 스트랜드 방향성(같은 스트랜드: 회색, 역전: 빨간색)을 표시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Drosophila 종 간 보존된 비코딩 영역에서 소규모 게놈 재배열, 예를 들어 역전이 얼마나 자주 발생하는가?
• RQ2 기능적 제약이 존재하는 바에도 불구하고, 보존된 비코딩 서열이 중복 및 이동과 같은 구조적 플라스티시티를 얼마나 보여주는가?
• RQ3 특정 염색체 영역, 예를 들어 X 염색체에서는 자율염색체에 비해 더 높은 빈도로 역전된 CNBs가 관찰되는가?
• RQ4 고해상도, 국소, 전장 유전체 정렬 전략이 기존의 전체 유전체 정렬 방법으로는 놓친 조절 요소의 재배열을 탐지할 수 있는가?
• RQ5 Drosophila 계통에서 다양한 진화적 거리 간의 CNBs 분포 및 보존 수준은 어떻게 되는가?

주요 결과

• CNBs의 평균 크기는 50 bp에서 94 bp 사이이며, 인트론 영역에서 관찰된 블록은 유전자 간격 영역보다 짧았다.
• Sophophora 속 이외의 종, 예를 들어 D. virilis, D. mojavensis, D. grimshawi와의 이배열에서 최대 30%의 CNBs가 역전되어 있었다.
• 역전된 CNBs는 유전자 간격 영역과 인트론 영역에서 유사한 빈도로 발견되어, 이 영역들 간 유사한 진화적 역학을 가짐을 시사한다.
• X 염색체는 자율염색체보다 역전된 CNBs 비율이 유의미하게 높아, X 염색체에서 더 높은 구조적 플라스티시티를 보임을 나타낸다.
• white 유전자 인트론 내 66-bp CNB는 90%의 일치율을 유지하며 D. mojavensis, D. virilis, D. grimshawi에서 모두 역전되어 있어, 계통 특이적인 국소 역전을 시사한다.
• 엄격한 점수 임계치(2200, FDR = 0.8×10⁻³)로 생성된 DrosOCB 데이터베이스는 기능적 비코딩 요소에 대한 신뢰할 수 있고 고해상도 맵을 제공하여 후속 기능적 및 진화 분석에 유용하다.