[논문 리뷰] Using sequencing coverage statistics to identify sex chromosomes in minke whales

Ketil Malde, Rasmus Skern외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 18.

Marine animal studies overview참고 문헌 43인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 공개된 전장 게놈 시퀀싱 데이터를 이용해 백상어에서 성 염색체를 식별하기 위한 단순하고 커버리지 기반의 생정보학적 방법을 제시한다. 남성과 여성 샘플 간의 시퀀싱 깊이 차이를 분석함으로써 저자들은 유전자 서열을 X 또는 Y 염색체로 분류하는 데 성공했으며, 약 90 Mbp의 성 관련 서열을 규명하였다. 이는 사전 지식이나 복잡한 동일성 검색 없이도 커버리지 통계만으로도 신뢰성 있게 성 염색체를 탐지할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The ever-increasing number of genome sequencing and resequencing projects is a central source of insights into the ecology and evolution of non-model organisms. An important aspect of genomics is the elucidation of sex determination systems and identifying genes on sex chromosomes. This not only helps reveal mechanisms behind sex determination in the species under study, but their characteristics make sex chromosomes a unique tool for studying the mechanisms and effects of recombination and genomic rearrangements and how they affect adaption and selection. Despite this, many sequencing projects omit such investigations. Here, we apply a simple method using sequencing coverage statistics to identify scaffolds belonging to the sex chromosomes of minke whale, and show how the sex chromosome system can be determined using coverage statistics alone. Using publicly available data, we identify the previously unknown sex of an Antarctic minke whale as female. We further investigate public sequence data from the different species and sub-species of minke whale, and classify genomic scaffolds from a published minke whale assembly as X or Y chromosomal sequences. Our findings are consistent with previous results that identified a handful of scaffolds as sex chromosomal, but we are able to identify a much larger set of scaffolds, likely to represent close to the complete sex chromosomal sequences for the minke whale. Sequence coverage statistics provides a readily available tool for investigating the sex determination system and locate genes on sex chromosomes. This analysis is straightforward and can often be performed with existing resources.

연구 동기 및 목표

• 공개된 시퀀싱 커버리지 데이터만을 사용하여 비모델 생물에서 성 염색체를 저비용으로 접근 가능한 방법으로 식별하는 것.
• 공개된 게놈 데이터를 이용해 남극 백상어의 성을 규명하고, 여성으로 확인하는 것.
• 이전에 발표된 백상어 게놈 어셈블리의 유전자 서열을 동일성 기반 방법에 의존하지 않고 X 또는 Y 염색체 서열로 분류하는 것.
• 커버리지 기반 분석이 이전의 동일성 기반 접근보다 훨씬 더 많은 성 염색체 서열을 식별할 수 있음을 보여주는 것.
• 기존 게놈 자원을 활용해 XY 또는 ZW 성 염색체 시스템을 가진 어떤 종에도 적용 가능한 확장성 있고 계산적으로 단순한 접근법을 제공하는 것.

제안 방법

• 남성과 여성 백상어의 전장 게놈 샷건 시퀀싱 데이터를 활용하여 유전자 서열에 걸친 리드 커버리지 계산.
• 남성과 여성 샘플 간의 커버리지 분포를 비교하여 Y(또는 W) 염색체 특징인 반준비형 패atters를 보이는 서열을 식별.
• 커버리지 수준에 따라 서열을 군집화하는 방법을 적용하여, 균형 잡힌 커버리지(자기 염색체)와 비균형 잡힌 커버리지(성 염색체)를 구분.
• 서열 길이를 공변량으로 사용하여 커버리지 편향을 보정함으로써 커버리지 추정의 정확도 향상.
• 커버리지 데이터의 과분산 및 이질분산을 고려하기 위해 통계 모델링(예: 음이항분포 또는 혼합모델)을 적용.
• 공개된 데이터를 사용하여 결과를 검증하고, 재현 가능성을 위해 GitHub를 통해 분석 스크립트를 공개.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사전에 성 염색체 시스템을 알지 못하더라도 시퀀싱 커버리지 통계만으로도 백상어의 성 염색체를 신뢰성 있게 식별할 수 있는가?
• RQ2 백상어 게놈에서 커버리지 기반 분류를 통해 얼마나 많은 서열이 X 또는 Y 염색체로 신뢰성 있게 할당될 수 있는가?
• RQ3 이 방법이 성 관련 서열을 식별하는 데 있어 동일성 기반 접근보다 얼마나 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 이 방법을 사용하여 이전에 분류되지 않은 개체의 성을 공개된 시퀀싱 데이터만으로 규명할 수 있는가?
• RQ5 커버리지 패atters를 기반으로 백상어 성 염색체의 추정 크기와 유전자 구성은 무엇인가?

주요 결과

• 이 방법은 성 염색체에 속하는 90 Mbp의 유전자 서열을 성공적으로 식별하여 이전의 동일성 기반 식별 결과보다 크게 향상시켰다.
• 공개된 시퀀싱 데이터에서의 커버리지 통계만을 사용하여 이전에 알려지지 않은 남극 백상어의 성이 여성으로 규명되었다.
• 분석은 여러 종과 아종의 백상어에서 일관된 커버리지 패턴을 보이며, 많은 수의 서열을 X 또는 Y 염색체 서열로 분류하였다.
• 이전 연구들보다 훨씬 더 많은 수의 성 관련 서열을 식별함으로써 성 염색체 영역이 거의 완전히 커버된 것으로 보인다.
• 단일 성별 당 하나의 시퀀싱 라이브러리만으로도 이 방법은 강건하게 작동하며, 긴 서열(10 kbp 이상)을 가진 고품질 게놈 어셈블리에서도 효과적으로 작동한다.
• 결과는 공개된 데이터를 사용하여 검증되었으며, 재현 가능성과 광범위한 적용을 위해 분석 스크립트가 공개되어 있다.