[논문 리뷰] Increasing biological complexity is positively correlated with the relative genome-wide expansion of non-protein-coding DNA sequences

Ryan J. Taft, John S. Mattick|ArXiv.org|2004. 01. 15.

RNA and protein synthesis mechanisms참고 문헌 79인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 진핵생물에서 생물학적 복잡성의 증가가 게놈 전체에 걸쳐 비단백질 코딩 DNA(ncDNA)의 상대적 확장을 강하게 연관시킨다고 제안한다. 85개의 시퀀스 분석 종을 분석한 결과, 원핵생물에서 ncDNA/tgDNA 비율은 0.05–0.24에서 시작해 복잡한 다세포 생물에서 0.62–0.985로 증가함을 발견하였으며, 이는 비코딩 DNA가 단순히 진화적 '쓰레기'가 아니라 게놈 및 기능적 복잡성의 핵심 추진력임을 시사한다.

ABSTRACT

Background: Prior to the current genomic era it was suggested that the number of protein-coding genes that an organism made use of was a valid measure of its complexity. It is now clear, however, that major incongruities exist and that there is only a weak relationship between biological complexity and the number of protein coding genes. For example, using the protein-coding gene number as a basis for evaluating biological complexity would make urochordates and insects less complex than nematodes, and humans less complex than rice. Results: We analyzed the ratio of noncoding to total genomic DNA (ncDNA/tgDNA) for 85 sequenced species and found that this ratio correlates well with increasing biological complexity. The ncDNA/tgDNA ratio is generally contained within the bandwidth of 0.05-0.24 for prokaryotes, but rises to 0.26-0.52 in unicellular eukaryotes, and to 0.62-0.985 for developmentally complex multicellular organisms. Significantly, prokaryotic species display a non-uniform species distribution approaching the mean of 0.1177 ncDNA/tgDNA (p=1.58 x 10^-13), and a nonlinear ncDNA/tgDNA relationship to genome size (r=0.15). Importantly, the ncDNA/tgDNA ratio corrects for ploidy, and is not substantially affected by variable loads of repetitive sequences. Conclusions: We suggest that the observed noncoding DNA increases and compositional patterns are primarily a function of increased information content. It is therefore possible that introns, intergenic sequences, repeat elements, and genomic DNA previously regarded as genetically inert may be far more important to the evolution and functional repertoire of complex organisms than has been previously appreciated.

연구 동기 및 목표

• 생물학적 복잡성에 대한 기존의 단백질 코딩 유전자 수에 의존하는 접근법을 재고하여, 이는 생물학적 복잡성과 약한 상관관계를 보임을 확인한다.
• 비단백질 코딩 DNA(ncDNA)의 함량이 단백질 코딩 유전자 수보다 생물학적 복잡성과 더 강하게 상관되는지 조사한다.
• 비코딩 DNA 대 전체 게놈 DNA(ncDNA/tgDNA) 비율이 게놈 복잡성의 안정적인, 복수도 보정된 지표가 될 수 있는지 규명한다.
• 반복 서열 또는 복수도 수준이 ncDNA와 복잡성 간의 관계를 왜곡하는지 평가한다.
• 비코딩 DNA가 기능적으로 무력하다는 가정을 도전하며, 이는 조절 및 진화 정보의 저류로 기능할 수 있음을 제안한다.

제안 방법

• 원핵생물, 단세포 진핵생물, 다세포 진핵생물에 걸쳐 85개의 시퀀스 분석 종으로부터 게놈 전체 DNA 조성 데이터를 수집하였다.
• 각 종에 대해 비코딩 DNA를 전체 게놈 DNA로 나눈 ncDNA/tgDNA 비율을 계산하여 상대적 비코딩 DNA 함량을 정량화하였다.
• 계량적 분석(p-값, 상관계수)을 사용하여 분류군 간 ncDNA/tgDNA 추세의 유의성을 평가하였다.
• 복수도를 보정하기 위해 ncDNA/tgDNA 비율을 정규화하여 게놈 복수도 수준에 따른 편향을 방지하였다.
• 유전자 크기와 ncDNA/tgDNA 비율 간의 관계를 분석하여 원핵생물에서 비선형 상관관계(r = 0.15)를 확인하였다.
• ncDNA/tgDNA 비율의 종 분포를 비교하여 비균일성을 평가하고, 이 패턴이 기능적 제약 또는 중립적 진화를 반영하는지 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 생물에서 생물학적 복잡성 증가와 함께 비단백질 코딩 DNA(ncDNA/tgDNA)의 상대 비율이 증가하는가?
• RQ2 ncDNA/tgDNA 비율은 원핵생물, 단세포 진핵생물, 복잡한 다세포 진핵생물 간에 어떻게 변화하는가?
• RQ3 ncDNA/tgDNA 비율은 복수도 또는 반복 서열 함량의 변동에 영향을 받지 않는가?
• RQ4 ncDNA/tgDNA 비율이 단백질 코딩 유전자 수보다 생물학적 복잡성의 더 나은 지표가 될 수 있는가?
• RQ5 종 간 ncDNA/tgDNA 비율의 분포는 비코딩 DNA의 기능적 역할에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• 원핵생물에서 ncDNA/tgDNA 비율은 0.05에서 0.24이며, 단세포 진핵생물에서는 0.26에서 0.52로 상승하고, 발달적으로 복잡한 다세포 생물에서는 0.62에서 0.985에 이른다.
• 원핵생물은 ncDNA/tgDNA 비율의 비균일한 분포를 보이며, 평균 0.1177이고 매우 유의미한 p-값 1.58 × 10⁻¹³을 기록하여 비랜덤한 변동임을 시사한다.
• 원핵생물에서 유전자 크기와 ncDNA/tgDNA 비율 간의 관계는 비선형이며, 상관계수 r = 0.15이다.
• ncDNA/tgDNA 비율은 복수도 또는 반복 서열의 다양성에 크게 영향을 받지 않아 비교 게놈학에서 안정적인 지표로 기능한다.
• 증가하는 ncDNA/tgDNA 비율과 생물학적 복잡성 간의 강한 상관관계는 비코딩 DNA가 기능적으로 무력하다는 견해를 도전한다.
• 이러한 발견은 인트론, 이격 영역, 반복 요소가 복잡한 생물에서 정보 함량 및 진화적 혁신에 기여할 수 있음을 시사한다.