[논문 리뷰] Investigation of asymmetry in E. coli growth rate

Bernard Delyon, Benoîte de Saporta외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 17.

Gene Regulatory Network Analysis참고 문헌 10인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 이중 나무 구조 데이터셋 두 개—일시적 단계(Stewart et al., 2005)와 정적 단계(Wang et al., 2012)—을 사용하여 *E. coli* 성장 속도의 비대칭성을 조사한다. 유전자 계통적 의존성을 고려하기 위해 계층적 통계 모델을 적용한다. 주요 발견은 형제 세포의 성장 속도가 축의 유형(오래된 vs. 새로운)에 따라 유의미하게 다름을 보이며, 이 두 연구 간의 명백한 모순은 서로 다른 실험 단계에서 비롯되며, 생물학적 메커니즘의 상충이 아니라는 점이다.

ABSTRACT

The data we analyze derives from the observation of numerous cells of the bacterium Escherichia coli (E. coli) growing and dividing. Single cells grow and divide to give birth to two daughter cells, that in turn grow and divide. Thus, a colony of cells from a single ancestor is structured as a binary genealogical tree. At each node the measured data is the growth rate of the bacterium. In this paper, we study two different data sets. One set corresponds to small complete trees, whereas the other one corresponds to long specific sub-trees. Our aim is to compare both sets. This paper is accessible to post graduate students and readers with advanced knowledge in statistics.

연구 동기 및 목표

• 노령화로 인해 오래된 축을 가진 *E. coli* 세포가 더 느린 성장 속도를 보이는지에 대한 서로 다른 생물학적 보고를 해결하기 위해.
• 성장 속도 데이터 분석 시 계통적 이진 나무의 복잡한 의존성 구조를 철저히 고려하기 위해.
• 다른 나무 구조를 가진 두 데이터셋—일시적(Stewart)과 정적(Wang)—을 비교하여 성장 속도 비대칭성의 일관성을 평가하기 위해.
• 성장 속도 기억이 어머니-자식 관계를 초월해 장기적 계통에 영향을 미치는지, 아니면 즉각적인 계통에 국한되는지를 판단하기 위해.
• 관찰된 성장 속도 차이가 축 유형 때문인지, 누적된 계통 역사 때문인지 평가하기 위해.

제안 방법

• 성장 속도 데이터의 시간적 및 계통적 의존성을 보정하기 위해 자기회귀 모델과 ARMA(1,1) 모델을 적용하였다.
• Wang 데이터셋의 잔차에 대해 콜모고로프-스미르노프 검정과 스터디언 t-검정을 수행하여 정상성 여부를 검증하였다.
• 혼합효모 모델을 사용하여 성장 속도의 다세대 기억 효과를 평가하고 어머니, 할머니, 축 계통의 영향을 검토하였다.
• 이진 나무 레이블링(짝수 = 새로운 축, 홀수 = 오래된 축)을 활용하여 계통 유형을 추적하고 각 세포에 축 역사 정보를 할당하였다.
• 형제 세포의 성장 속도 쌍에 대한 가설 검정을 수행하였으며, 순열 및 재표본 추출 기법을 사용해 나무 구조적 의존성을 보정하였다.
• 두 데이터셋에서 세대 및 축 유형별 성장 속도 분포를 시각화하기 위해 박스플롯과 히스토그램을 활용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유전적으로 동일한 형제 세포들이 비대칭 분열로 인해 통계적으로 다른 성장 속도를 보이는가?
• RQ2 모든 세대에 걸쳐 오래된 축 세포의 성장 속도가 새로운 축 세포보다 유의미하게 낮은가?
• RQ3 세포의 성장 속도가 어머니와 할머니의 성장 속도에 의존하는가, 아니면 어머니의 속도만으로도 충분한가?
• RQ4 성장 속도 비대칭성은 세포 계통의 일시적 단계와 정적 단계에서 일관되게 나타나는가?
• RQ5 예를 들어 NOO, NONOONN와 같은 축 유형의 누적 역사를 고려할 때, 즉각적인 어머니-자식 관계를 초월해 성장 속도에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 형제 세포는 통계적으로 유의미한 성장 속도 차이를 보이며, 오래된 축 세포가 새로운 축 세포보다 유의미하게 느리게 성장한다.
• 어머니 세포의 성장 속도는 딸 세포의 속도를 유의미하게 예측하지만, 할머니 세포의 속도는 유의미한 독립적 영향을 미치지 않는다.
• Stewart 데이터셋(일시적 단계)에서는 세대 간 성장 속도가 정상적이지 않으며, 초기 실험 조건의 영향이 장기적으로 유지됨을 시사한다.
• Wang 데이터셋(정적 단계)에서는 콜모고로프 검정의 p-값이 균일하게 분포되어 있어 정상성을 기각하지 않는다는 것을 지지한다.
• 최근 축 유형 변화 이후 경과한 세대 수가 가장 중요한 예측 변수이며, 전체 계통의 축 유형 순서는 중요하지 않다.
• Stewart(2005)와 Wang(2012) 간의 명백한 모순은 생물학적 일관성의 결여 때문이 아니라 실험 단계의 차이—일시적 vs. 안정 상태 관찰—에서 기인함을 규명하였다.