[논문 리뷰] The inference of gene trees with species trees

Gergely J. Szöllősi, Éric Tannier외 2명|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|2013. 11. 04.

Genomics and Phylogenetic Studies참고 문헌 73인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 유전자 수목과 종 수목을 유전자 중복, 손실, 이동 및 불완전한 선형 분할과 같은 생물학적 과정을 고려함으로써 조율하는 모델을 검토하며, 이 과정에서 서열 진화 모델을 통합함으로써 유전자 수목 추론의 정확도를 향상시킨다. 주요 기여는 게놈 진화 연구와 고대 게놈 복원에 있어 정확도를 높이는 동시 추론 방법을 홍보하는 데 있다.

ABSTRACT

Molecular phylogeny has focused mainly on improving models for the reconstruction of gene trees based on sequence alignments. Yet, most phylogeneticists seek to reveal the history of species. Although the histories of genes and species are tightly linked, they are seldom identical, because genes duplicate, are lost or horizontally transferred, and because alleles can co-exist in populations for periods that may span several speciation events. Building models describing the relationship between gene and species trees can thus improve the reconstruction of gene trees when a species tree is known, and vice-versa. Several approaches have been proposed to solve the problem in one direction or the other, but in general neither gene trees nor species trees are known. Only a few studies have attempted to jointly infer gene trees and species trees. In this article we review the various models that have been used to describe the relationship between gene trees and species trees. These models account for gene duplication and loss, transfer or incomplete lineage sorting. Some of them consider several types of events together, but none exists currently that considers the full repertoire of processes that generate gene trees along the species tree. Simulations as well as empirical studies on genomic data show that combining gene tree-species tree models with models of sequence evolution improves gene tree reconstruction. In turn, these better gene trees provide a better basis for studying genome evolution or reconstructing ancestral chromosomes and ancestral gene sequences. We predict that gene tree-species tree methods that can deal with genomic data sets will be instrumental to advancing our understanding of genomic evolution.

연구 동기 및 목표

• 유전자 수목(개별 유전자의 진화)과 종 수목(전체 계통의 진화) 사이의 괴리를 다루며, 불완전한 선형 분할, 유전자 중복, 손실, 수평 이동 등의 생물학적 과정으로 인해 자주 발생하는 이질성 원인을 설명한다.
• 기존의 방법들이 종 수목의 맥락을 忽略하고 유전자 수목을 독립적으로 추론함으로써 편향되거나 일관성 없는 복원을 초래하는 한계를 극복한다.
• 유전자 가족 진화 모델과 서열 진화 모델을 사용하여 동시에 유전자 수목과 종 수목을 재구성하는 동시 추론 방법의 개발을 촉진한다.
• growing 규모의 게놈 데이터를 처리하기 위해 확장 가능하고 통합적이며 점진적인 계산 프레임워크의 필요성을 강조한다.
• 계통발생 모델에 유전자 배열의 진화와 재배열과 같은 다양한 진화 과정을 통합하여 더 정확한 고대 게놈 복원을 가능하게 한다.

제안 방법

• DTL(Duplication-Transfer-Local) 및 DL(Duplication-Loss) 모델을 포함한 기존의 유전자 수목-종 수목 조율 모델을 검토하고 비교한다.
• 유전자 가족 진화 모델과 서열 진화 모델을 통합하여 유전자 수목 추론의 정확도를 향상시킨다.
• 출생-사망 과정과 동적 프로그래밍을 사용하여 종 수목을 따라 유전자 가족 진화를 모델링함으로써 조율의 통계적 추론을 가능하게 한다.
• 유전자 배열 변화와 같은 대규모 게놈 변화를 포착하기 위해 인접성 및 이웃 진화 모델(예: 유전자 배열 변화)을 유전자 수목-종 수목 조율에 포함시키는 것을 제안한다.
• 이전 분석에서의 사전 정보를 재사용하여 대규모 게놈 프로젝트에서의 반복 계산을 줄이기 위해 점진적인 계산 프레임워크의 구현을 권장한다.
• 전체 게놈 규모에서 계통발생적 이질성을 탐지하기 위해 브레이크포인트 탐지 모델(예: HMM 기반)을 유전자 가족 진화 모델에 통합하는 것을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 종 수목이 알려져 있을 때, 유전자 수목-종 수목 조율 모델은 어떻게 유전자 수목 추론의 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 불완전한 선형 분할, 유전자 중복, 손실, 수평 이동 등의 과정이 유전자 수목과 종 수목 간의 구조적 이질성에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 서열 진화 모델을 유전자 가족 진화 모델과 통합하면 더 정확하고 일관성 있는 유전자 수목 복원이 가능할까?
• RQ4 특히 대규모 게놈 데이터셋을 다룰 때, 유전자 수목과 종 수목을 동시에 추론하는 데 있어 계산적이고 개념적인 과제는 무엇인가?
• RQ5 유전자 재배열 및 유전자 이웃 진화 모델을 유전자 수목-종 수목 조율에 통합하여 고대 게놈 복원을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 시뮬레이션과 실증 연구 결과, 유전자 수목-종 수목 모델과 서열 진화 모델을 통합하면 유전자 수목 복원의 정확도가 크게 향상됨을 확인했다.
• 종 수목 제약 조건을 적용하여 추론한 유전자 수목은 오류에 덜 민감하며, 특히 불완전한 선형 분할의 경우, 인간 게놈의 약 30%가 종 수목과 이질성을 보일 수 있기 때문에 더욱 일관성이 있다.
• 현재의 DTL 및 DL 모델은 다수의 사건 발생 빈도로 인해 편향될 수 있으며, 이에 이웃 진화 모델을 통합하면 이러한 편향을 줄일 수 있다.
• 유전자 배열과 인접성 진화 모델을 조율 모델에 통합함으로써 고대 게놈의 구조, 예를 들어 고대 염색체와 유전자 이웃 구조를 복원할 수 있다.
• 현재의 방법들이 매번 새로운 데이터셋에 대해 유전자 가족, 정렬, 수목을 다시 계산하기 때문에, 이전 계산 결과를 재사용할 수 있는 확장 가능하고 점진적인 알고리즘의 필요성이 매우 크다.
• 미래의 방법은 생물학적 현실을 반영하기 위해 모델 복잡성을 증가시켜야 하며, 同時に 대규모 게놈 데이터셋에 대응할 수 있어야 하므로, 비교 게놈학 분야에서의 주요 과제가 된다.