Tale of two trees: Новый веб-инструмент с легкостью оценивает генные деревья
Генные деревья, подобно семейным, отслеживают родословную конкретного гена от древних предковых корней до современных ветвей. Сравнивая их с деревьями видов, которые отображают эволюционную историю видов, ученые могут определить, какие гены есть у каких видов, какие новые функции эти гены приобрели и какие утратили. Ученые из Окинавского института науки и технологий (OIST) представили новый инструмент для быстрого проведения такого анализа без вычислительных сложностей.
Бесплатный веб-инструмент ORTHOSCOPE использует устоявшиеся деревья видов и около 250 геномных наборов данных для оценки генных деревьев и идентификации ортогрупп — наборов генов, произошедших от одного гена у последнего общего предка выбранной группы видов. Весь анализ занимает всего несколько минут. Исследователи описали инструмент и несколько тестовых примеров, подтверждающих его эффективность, в статье, опубликованной 4 декабря 2018 года в Molecular Biology and Evolution.
Программа позволяет быстро определить, присутствует ли ген в геноме вида и сколько у него копий. Важнее всего, она упрощает быстрый вывод о функции этого гена и его предков.
«Нам нужно думать об эволюции видов, когда мы думаем о функции генов», — сказал Дзюн Иноуэ, первый автор исследования. По его словам, ручное построение генных деревьев требует значительного времени, усилий и данных, поэтому многие прошлые исследования изучали функцию генов без этого контекста. Автоматически оценивая генные деревья, новое ПО Иноуэ может значительно улучшить изучение функции генов у двусторонне-симметричных животных, включая человека.
«Это программное обеспечение позволяет сравнивать филогенетические отношения разных генов. Я надеюсь, что инструмент будет использоваться в медицинских исследованиях — это имеет большое значение», — сказал Иноуэ.
Упрощение когда-то сложного процесса
До запуска ORTHOSCOPE коллекции геномных данных были разбросаны по разным источникам. Построение точных генных деревьев зависит от доступа к достаточному объему геномных данных, но их сбор из разных уголков интернета требует времени и усилий. Чтобы упростить процесс, Иноуэ и профессор Нориюки Сато собрали данные из генбанков NCBI и Ensembl, а также из большой базы данных, уже созданной их подразделением Marine Genomics Unit.
Пользователи ORTHOSCOPE начинают анализ, вводя кодирующие последовательности интересующих их белковых генов. Затем они выбирают одну из четырех групп видов (Protostomia, Deuterostomia, Vertebrata или Actinopterygii) для поиска и могут уточнить запрос, выбрав конкретные виды. На основе предоставленных последовательностей ORTHOSCOPE автоматически оценивает новое генеалогическое древо и выдает результаты в течение нескольких минут. Пользователи могут перестроить полученное дерево на основе стандартного дерева видов, предоставленного программой, или на основе собственных данных.
Для тестирования инструмента Иноуэ и Сато провели несколько собственных тестовых исследований. Например, они использовали ORTHOSCOPE, чтобы определить, сколько копий гена Brachyury, критически важного для развития хорды, присутствует у разных видов вторичноротых. Программа подтвердила результаты, которые исследователи ранее собрали вручную, но сделала это за значительно меньшее время.
В другом примере ученые смогли идентифицировать гены, возникшие в результате дупликации всего генома — ключевого события в эволюционной истории позвоночных. Эта дупликация по сути учетверила размер генома предка позвоночных, открыв путь для большего числа случайных мутаций и появления новых функций генов.
Эти примеры показывают, что с помощью ORTHOSCOPE исследователи могут выйти за рамки простого сравнения генов и узнать, как они эволюционировали и на какие виды повлияли.
«Нет другого хорошего метода для оценки или вывода функции гена — это программное обеспечение делает это автоматически и быстро. Теперь мы можем узнать всю историю гена», — сказал Иноуэ.