[논문 리뷰] Reconciliation of Gene and Species Trees With Polytomies

Y. Zheng, Taoyang Wu외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 19.

Genomics and Phylogenetic Studies참고 문헌 27인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 비이진 유전자 나무와 종 나무를 바이너리 리파인먼트 모델 하에서 재결합하는 데 있어 첫 번째 효율적인 알고리즘을 제안하며, 복제 비용만 고려하더라도 문제의 NP-난이도를 증명한다. 이는 두 단계로 구성된 방법을 제안한다: 먼저 유전자 나무의 구조를 활용해 비이진 종 나무를 리파인드하고, 그 다음 순서 이론에 기반한 선형 시간 알고리즘을 통해 비이진 유전자 노드를 해결하여 최적의 복제 비용과 최소 손실 비용을 달성한다.

ABSTRACT

Motivation: Millions of genes in the modern species belong to only thousands of `gene families'. A gene family includes instances of the same gene in different species (orthologs) and duplicate genes in the same species (paralogs). Genes are gained and lost during evolution. With advances in sequencing technology, researchers are able to investigate the important roles of gene duplications and losses in adaptive evolution. Because of gene complex evolution, ortholog identification is a basic but difficult task in comparative genomics. A key method for the task is to use an explicit model of the evolutionary history of the genes being studied, called the gene (family) tree. It compares the gene tree with the evolutionary history of the species in which the genes reside, called the species tree, using the procedure known as tree reconciliation. Reconciling binary gene and specific trees is simple. However, both gene and species trees may be non-binary in practice and thus tree reconciliation presents challenging problems. Here, non-binary gene and species tree reconciliation is studied in a binary refinement model. Results: The problem of reconciling arbitrary gene and species trees is proved NP-hard even for the duplication cost. We then present the first efficient method for reconciling a non-binary gene tree and a non-binary species tree. It attempts to find binary refinements of the given gene and species trees that minimize reconciliation cost. Our algorithms have been implemented into a software to support quick automated analysis of large data sets. Availability: The program, together with the source code, is available at its online server http://phylotoo.appspot.com.

연구 동기 및 목표

• 부족한 신호 또는 불확실성으로 인해 실제 계통발생 데이터에서 흔한 비이진 유전자 나무와 종 나무를 재결합하는 문제에 대처한다.
• 기존 재결합 도구들이 적어도 하나의 이진 나무를 요구하는 한계를 극복하며, 특히 유전자 나무와 종 나무 모두가 비이진일 경우에 유용하다.
• 최소 복제 및 손실 사건을 기반으로 한 단순성 원칙에 따라 확장 가능하고 효율적인 재결합 알고리즘을 개발한다.
• 비교 게놈학에서 유전자 나무와 종 나무 재결합의 대규모 자동 분석을 위한 실용적인 소프트웨어 솔루션을 제공한다.
• 깊은 공진화와 낮은 분지 지지도로 인한 복제 수의 과대평가를 줄여 유전자 가족의 진화 추론을 향상시킨다.

제안 방법

• 비이진 유전자 나무와 종 나무를 재결합하는 것이 복제 비용만 고려하더라도 NP-난이도임을 증명하여 문제의 이론적 난이도를 확립한다.
• 두 단계 재결합 프레임워크를 제안한다: 먼저 유전자 나무의 구조적 정보를 활용해 비이진 종 나무의 이진 리파인먼트를 계산한다.
• 유전자의 가장 긴 후손 매핑 체인에 초점을 맞춰, 오더 이론의 Mirsky 정리를 활용한 새로운 선형 시간 알고리즘을 적용하여 비이진 유전자 나무 노드를 리파인드한다.
• 결과로 얻어진 재결합이 최적의 복제 비용을 달성하고, 그 중에서 최소한의 유전자 손실 비용을 갖도록 보장한다.
• 온라인에서 이용 가능한 소프트웨어 도구로 구현하여, 제안된 휴리스틱과 Durand 등(2005)의 동적 계획법 접근 방식을 모두 지원한다.
• 테스트 데이터셋에서 방법을 검증하여, 종 나무 리파인먼트에 있어 이전 알고리즘보다 뛰어난 성능과 높은 재결합 정확도를 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비이진 유전자 나무와 종 나무를 재결합하는 문제는 계산적으로 다룰 수 있는가, 아니면 NP-난이도인가?
• RQ2 비이진 유전자 나무와 종 나무 모두의 이진 리파인먼트를 효율적으로 계산하면서 재결합 비용을 최소화할 수 있는가?
• RQ3 제안된 방법이 재결합에서 최적의 복제 비용을 달성하고, 그 중에서 최소한의 손실 비용을 갖는가?
• RQ4 Notung 등의 기존 도구나 이전의 리파인먼트 알고리즘과 비교해 정확도와 효율성 면에서 어떻게 성과를 내는가?
• RQ5 종 나무 리파인먼트 구성 요소를 다수의 유전자 나무로부터 종 나무 추론에 재사용할 수 있는가?

주요 결과

• 비이진 유전자 나무와 종 나무를 재결합하는 문제는 복제 비용만 고려하더라도 NP-난이도임이 증명되었다.
• 제안된 알고리즘이 최적의 복제 비용을 달성하고, 그 중에서 가능한 최소한의 유전자 손실 비용을 갖는다.
• 실험적 테스트를 통해 이전의 종 나무 리파인먼트 알고리즘보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 소프트웨어 구현체는 http://phylotoo.appspot.com 에 공개되어 있어 대규모 데이터셋의 자동 분석을 지원한다.
• 깊은 공진화와 낮은 분지 지지도로 인한 복제 수 과대평가를 줄여, 깊은 계통발생 분지에서의 분석 정확도를 향상시킨다.
• 종 나무 리파인먼트 구성 요소는 다수의 유전자 나무로부터 종 나무 추론에 응용 가능하며, 더 넓은 적용 가능성을 보여준다.