[논문 리뷰] Recovering the tree-like trend of evolution despite extensive lateral genetic transfer: A probabilistic analysis

Sébastien Roch, Sagi Snir|arXiv (Cornell University)|2012. 06. 15.

Genomics and Phylogenetic Studies참고 문헌 39인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 사분면 집합과 중앙 거리 추정 기반의 강건하고 계산 효율성이 높은 방법을 사용하여, 유전자 트리당 거의 선형 수준의 수평 유전자 이행(LGT) 사건이 있더라도 종 계통수를 정확하게 재구성할 수 있음을 보여주는 확률적 분석을 제시한다. 핵심 결과는, 유전자 트리의 분류 체계와 거리가 알려져 있거나 충분한 서열 길이로 추정될 수 있다면, 고도의 LGT 비율 하에서도 계통수 형태의 진화 신호가 회복 가능하다는 것이다.

ABSTRACT

Lateral gene transfer (LGT) is a common mechanism of non-vertical evolution where genetic material is transferred between two more or less distantly related organisms. It is particularly common in bacteria where it contributes to adaptive evolution with important medical implications. In evolutionary studies, LGT has been shown to create widespread discordance between gene trees as genomes become mosaics of gene histories. In particular, the Tree of Life has been questioned as an appropriate representation of bacterial evolutionary history. Nevertheless a common hypothesis is that prokaryotic evolution is primarily tree-like, but that the underlying trend is obscured by LGT. Extensive empirical work has sought to extract a common tree-like signal from conflicting gene trees. Here we give a probabilistic perspective on the problem of recovering the tree-like trend despite LGT. Under a model of randomly distributed LGT, we show that the species phylogeny can be reconstructed even in the presence of surprisingly many (almost linear number of) LGT events per gene tree. Our results, which are optimal up to logarithmic factors, are based on the analysis of a robust, computationally efficient reconstruction method and provides insight into the design of such methods. Finally we show that our results have implications for the discovery of highways of gene sharing.

연구 동기 및 목표

• 수평 유전자 이행(LGT)의 최대 내성 비율을 규명하여 계통수 형태의 진화 신호가 영구적으로 흔들리지 않도록 하는 조건을 도출한다.
• 광범위한 LGT 존재 하에서 거리 기반 및 사분면 기반 계통수 재구성 방법의 효과성을 평가한다.
• 갈등하는 유전자 트리들로부터 기초 종 계통수를 추출하는 강건하고 계산 효율성이 높은 방법을 설계하기 위한 이론적 기반을 제공한다.
• 유전자 트리의 분지 길이 가정과 서열 길이가 재구성 정확도에 미치는 영향을 조사한다.
• 특정 클레이드 간의 선호적 수평 유전자 이행—'유전자 공유의 고속도로'—가 종 계통수의 복원 가능성에 미치는 영향을 탐구한다.

제안 방법

• 종 계통수 전역에 무작위로 분포하는 LGT 이벤트의 스토케스틱 모델을 사용하며, 이 모델의 비율은 매개변수 Λ로 제한된다.
• 다양한 유전자들 간의 사분면 분류 체계와 진화 거리를 집계하여 종 계통수를 추론하는 중앙기반 재구성 알고리즘(MT)을 적용한다.
• 집중 경계와 확률적 분석을 적용하여, 고도의 확률로 유전자 트리 거리의 중앙값이 LGT가 있음에도 진정한 종 거리와 일치함을 보여준다.
• Yule 및 유계 비율 모델 하에서 종 계통수의 경로 무게를 분석하여 LGT가 거리 추정에 미치는 영향을 경계한다.
• 서열 길이 요구 조건을 고려하기 위해 GTR 모델 하에서 서열 진화를 모델링하고, 로그-데터민란트 거리 추정을 통해 진화 거리를 추정한다.
• 확률론 및 확률 과정 이론의 이론적 도구를 사용하며, 최소 분지 길이에 대한 극값 이론과 거리 추정에 대한 농도 부등식을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유전자 트리당 수평 유전자 이행 이벤트의 최대 수가 종 계통수 재구성 정확도에 영향을 주지 않는 범위는 어느 정도인가?
• RQ2 LGT 이벤트가 종 계통수 전역에 무작위로 분포할 경우, 단순하고 계산 효율성이 높은 방법이 종 계통수를 복원할 수 있는가?
• RQ3 유전자 수와 서열 길이가 고도의 LGT 비율 하에서 종 계통수 재구성 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 특정 클레이드 간의 선호적 수평 유전자 이행—'유전자 공유의 고속도로'—는 종 계통수의 복원 가능성에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 유전자 수와 비례하는 거의 선형 수준의 전이가 발생하더라도, 원핵생물 진화에서 계통수 형태의 신호는 LGT에 대해 강건한가?

주요 결과

• Yule 및 유계 비율 종 계통수 모델 하에서, 유전자 트리당 LGT 이벤트 수가 Ω(n)에 이르더라도 종 계통수는 높은 확률로 재구성 가능하다.
• 유전자 트리의 진화 거리 중앙값은, 다항수준의 유전자 수와 다항수준의 서열 길이가 확보된다면 진정한 종 거리 주변에 집중되어 있음을 보여준다.
• 이 방법은 거의 선형 수준의 LGT 이벤트를 처리할 수 있으며, 이는 기존의 원핵생물에서 관측된 LGT 빈도 추정치를 초월한다.
• 내성 가능한 LGT의 이론적 경계는 로그 인자 수준까지 날카롭게 조정되어 있어, 이 방법이 거의 최적임을 시사한다.
• 종 계통수의 가장 짧은 분지 길이는 일반적으로 1/poly(n)이며, GTR 모델 하에서 서열 길이가 n에 대해 다항수준으로 증가하면 거리 추정의 정확도가 확보된다.
• LGT를 밀접하게 관련된 종들 사이로 제한하면 종 계통수 재구성의 가능성은 크게 향상되며, 이는 국소적 전이 이벤트가 전 세계적 무작위 전이보다 덜 파괴적임을 시사한다.