[논문 리뷰] PanGeneHome : A Web Interface to Analyze Microbial Pangenomes

Camille Loiseau, Victor Hatte외 17명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 15.

Genomics and Phylogenetic Studies참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

PanGeneHome는 615개의 분류군(182개의 종 및 49개의 목 포함)에 걸쳐 미생물 펜제놈을 분석할 수 있는 웹 기반 플랫폼입니다. 이 도구는 유전자 보존 수준, 펜제놈 및 코어게놈 곡선, 유전자 구성과 평균 아미노산 일치도(AAI) 기반 계통수, 코어, 액세서리 및 고유 유전자에 대한 기능적 애너테이션을 제공합니다. 연구자들은 선택한 분류군 간 비교 분석을 수행할 수 있으며, 펜제놈 탐색을 위한 통합적이고 사용자 友好的한 인터페이스를 제공합니다.

ABSTRACT

PanGeneHome is a web server dedicated to the analysis of available microbial pangenomes. For any prokaryotic taxon with at least three sequenced genomes, PanGeneHome provides (i) conservation level of genes, (ii) pangenome and core-genome curves, estimated pangenome size and other metrics, (iii) dendrograms based on gene content and average amino acid identity (AAI) for these genomes, and (iv) functional categories and metabolic pathways represented in the core, accessory and unique gene pools of the selected taxon. In addition, the results for these different analyses can be compared for any set of taxa. With the availability of 615 taxa, covering 182 species and 49 orders, PanGeneHome provides an easy way to get a glimpse on the pangenome of a microbial group of interest. The server and its documentation are available at http://pangenehome.lmge.uca.fr.

연구 동기 및 목표

• 다양한 고세균 분류군에 걸쳐 중앙집중식이고 접근 가능한 웹 인터페이스를 제공하여 미생물 펜제놈 분석을 가능하게 하기.
• 여러 분류군을 동시에 비교할 수 있도록 코어 및 액세서리 유전자 풀의 펜제놈 특성 분석을 가능하게 하기.
• 코어, 액세서리 및 고유 유전자 풀 내 유전자에 대한 기능적 애너테이션 통합을 통해 생물학적 해석 지원하기.
• 최소 3개의 시퀀스화된 게놈을 가진 선택된 분류군에 대해 펜제놈 크기 및 코어게놈 곡선, 유전자 보존 수준과 같은 관련 지표를 추정하기.

제안 방법

• 최소 3개의 시퀀스화된 게놈을 가진 고세균 분류군에 대해 공공 데이터베이스에서 유전자 데이터를 수집합니다.
• 유사성 기반의 서열 유사도 및 클러스터링 알고리즘을 사용하여 유전자 간 동일유전자군(orthologous gene clusters)을 식별함으로써 유전자 보존 수준을 계산합니다.
• 점진적으로 게놈을 추가하면서 고유 및 공유 유전자 수의 누적량을 추적함으로써 펜제놈 및 코어게놈 곡선을 생성합니다.
• 유전자 구성 유사도와 평균 아미노산 일치도(AAI)를 사용하여 계통수를 구축함으로써 진화적 관계를 반영합니다.
• COG 및 KEGG와 같은 데이터베이스를 활용하여 유전자에 기능적 분류 및 대사 경로를 할당하고, 코어, 액세서리 및 고유 유전자 풀에 대해 요약합니다.
• 통합 웹 인터페이스를 통해 사용자가 선택한 분류군 간 비교 분석을 지원하며, 상호작용 가능한 시각화 및 내보낼 수 있는 결과를 제공합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소 3개의 시퀀스화된 게놈을 가진 다양한 고세균 분류군에서 펜제놈 크기와 코어게놈 크기는 어떻게 변동하는가?
• RQ2 특정 미생물 집단의 코어, 액세서리 및 고유 유전자 풀 내 기능적 분류군과 대사 경로의 분포는 어떠한가?
• RQ3 유전자 구성 기반과 AAI 기반 계통수는 밀접하게 관련된 미생물 균주 간의 진화적 관계를 어떻게 반영하는가?
• RQ4 유전자 보존 및 곡선 추세와 같은 펜제놈 지표는 미생물 종의 게놈 유연성 예측에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 다양한 분류군 간 비교 펜제놈 분석을 통해 유전자 증가, 손실 및 수평 전달의 패턴은 어떻게 드러나는가?

주요 결과

• PanGeneHome는 615개의 분류군(182개의 종 및 49개의 목 포함)에 대해 펜제놈 및 코어게놈 곡선을 제공하여 체계적인 펜제놈 추세 분석을 가능하게 합니다.
• 플랫폼은 선택된 각 분류군에 대해 펜제놈 크기 및 유전자 보존 수준을 추정하여 게놈 다양성 평가를 위한 정량적 지표를 제공합니다.
• 각 분류군에 대해 유전자 구성과 AAI 기반 계통수가 생성되어 계통발생학적 및 기능적 비교를 지원합니다.
• 코어, 액세서리 및 고유 유전자에 대한 기능적 애너테이션은 COG 및 KEGG 데이터베이스를 통해 가능하며, 다양한 유전자 풀 내 경로 풍부도를 드러냅니다.
• 사용자가 정의한 임의의 분류군 조합 간 비교 분석을 지원하여 펜제놈 특성의 동시 평가가 가능합니다.
• 웹 인터페이스를 통해 결과를 상호작용적으로 탐색하고 내보낼 수 있어, 미생물 게놈학 분야의 비전문가 사용자에게도 접근성을 높입니다.