[논문 리뷰] TreeOTU: Operational Taxonomic Unit Classification Based on Phylogenetic Trees

Dongying Wu, Ladan Doroud외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 28.

Genomics and Phylogenetic Studies참고 문헌 40인용 수 10

한 줄 요약

TreeOTU는 ssu-rRNA의 한계인 복제 수 변동성, 수평 유전자 이동 및 속도 이질성 문제를 해결하기 위해 단백질 코딩 유전자 가족(PhyEco 마커)을 사용하여 계통수 기반의 운영 분류 단위(OTU) 분류 방법을 제안한다. 이는 OTU의 계통수 구조에 대한 충실도를 향상시키며, 다양한 마커 유형에서 기존 분류 체계와 유사한 분류군을 생성한다.

ABSTRACT

Our current understanding of the taxonomic and phylogenetic diversity of cellular organisms, especially the bacteria and archaea, is mostly based upon studies of sequences of the small- subunit rRNAs (ssu-rRNAs). To address the limitation of ssu-rRNA as a phylogenetic marker, such as copy number variation among organisms and complications introduced by horizontal gene transfer, convergent evolution, or evolution rate variations, we have identified protein- coding gene families as alternative Phylogenetic and Phylogenetic Ecology markers (PhyEco). Current nucleotide sequence similarity based Operational Taxonomic Unit (OTU) classification methods are not readily applicable to amino acid sequences of PhyEco markers. We report here the development of TreeOTU, a phylogenetic tree structure based OTU classification method that takes into account of differences in rates of evolution between taxa and between genes. OTU sets built by TreeOTU are more faithful to phylogenetic tree structures than sequence clustering (non phylogenetic) methods for ssu-rRNAs. OTUs built from phylogenetic trees of protein coding PhyEco markers are comparable to our current taxonomic classification at different levels. With the included OTU comparing tools, the TreeOTU is robust in phylogenetic referencing with different phylogenetic markers and trees.

연구 동기 및 목표

• ssu-rRNA를 계통수 마커로 사용할 때 발생하는 복제 수 변동성, 수평 유전자 이동 및 속도 이질성 등의 한계를 극복하기 위해.
• 시퀀스 유사도 임계값에 의존하지 않고 계통수 구조를 존중하는 OTU 분류 방법을 개발하기 위해.
• rRNA보다 더 안정적이고 정보량이 많은 일부 맥락에서 단백질 코딩 PhyEco 마커를 사용하여 일관된 OTU 할당을 가능하게 하기 위해.
• 다양한 마커와 계통수 구조에 걸쳐 강력한 계통수 기반 참조 프레임워크를 구축하기 위해.

제안 방법

• TreeOTU는 ssu-rRNA 서열 대신 단백질 코딩 유전자 가족(PhyEco 마커)에서 계통수를 구축한다.
• 나무의 구조와 분지 길이 정보를 활용하여 OTU를 정의함으로써, 다양한 분류군과 유전자 간의 이질적인 진화 속도를 고려한다.
• 나무 구조에 기반한 계층적 클러스터링을 적용하며, 진화적 분리 정도에 따라 임계값을 조정한다.
• 다양한 계통수 마커와 나무 유형 간의 OTU 비교 및 정렬을 위한 기반 참조 방식을 통합한다.
• OTU 비교 도구를 포함하여, 다양한 마커 간 일관성 검사 및 검증을 가능하게 한다.
• 기존의 OTU 클러스터링에서 사용하는 임의의 시퀀스 유사도 기준을 피하고, 계통수 맥락 내에서의 진화적 거리에 기반한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단백질 코딩 유전자 가지만이 ssu-rRNA의 한계를 극복하고 신뢰할 수 있는 계통수 마커로 기능할 수 있는가?
• RQ2 계통수 구조 기반의 OTU 분류 방법이 진정한 계통수 관계를 유지하는 데 시퀀스 유사도 기반 클러스터링보다 얼마나 우수한가?
• RQ3 TreeOTU가 다양한 마커를 사용할 때 기존의 정립된 분류 체계와 얼마나 일치하는 OTU 집합을 생성할 수 있는가?
• RQ4 다양한 미생물 계통에서의 나무 구조 변화와 마커 선택에 대해 TreeOTU는 얼마나 강인한가?

주요 결과

• TreeOTU가 생성한 OTU는 전통적인 시퀀스 클러스터링 방법보다 기저 계통수 구조에 훨씬 더 높은 충실도를 보인다.
• PhyEco 마커를 기반으로 한 TreeOTU에서 유도된 OTU는 여러 분류 수준에서 현재의 분류 체계와 유사하다.
• 이 방법은 다양한 계통수 마커 간 일관된 OTU 기반 참조를 가능하게 하며, 마커와 나무의 다양성에 대해 강인함을 입증한다.
• TreeOTU는 다양한 분류군과 유전자 간의 진화 속도 차이를 고려함으로써 비계통수 기반 클러스터링보다 우수한 성능을 보인다.
• OTU 비교 도구의 통합으로 미생물 군집 분석의 재현성과 다수 연구 간 일관성이 향상된다.
• 단백질 코딩 유전자를 사용함으로써 수평 유전자 이동과 유사 진화의 영향을 줄이고, 더 안정적인 진화 신호를 제공한다.