新的網(wǎng)絡(luò)工具可以輕松估算基因樹

基因樹與家譜一樣，追溯特定基因的譜系，從其深祖根到其仍然生長的分枝。通過比較基因樹和物種樹，它們繪制物種的進(jìn)化歷史，科學(xué)家可以了解哪些物種具有哪些基因，這些基因隨時(shí)間獲得的新功能，以及它們可能失去的功能?，F(xiàn)在，沖繩科學(xué)技術(shù)研究生院(OIST)的科學(xué)家們已經(jīng)推出了一種新工具，可以快速進(jìn)行這些分析，而且不會(huì)產(chǎn)生計(jì)算難題。

免費(fèi)的，基于網(wǎng)絡(luò)的工具ORTHOSCOPE參考成熟的物種樹和大約250個(gè)基因組數(shù)據(jù)集來估計(jì)基因樹并鑒定正交組 - 來自單個(gè)基因的一組基因，這些基因來自選擇的一組物種的最后共同祖先。從頭到尾，分析只需幾分鐘。研究人員描述了該工具和多個(gè)案例研究，在2018年12月4日發(fā)表于分子生物學(xué)和進(jìn)化論的新論文中證實(shí)了其功效。

快速軟件使研究人員能夠識別物種基因組中是否存在基因以及存在多少拷貝。最重要的是，它可以很容易地快速推斷出該基因的功能，以及其祖先的功能。

“當(dāng)我們考慮基因功能時(shí)，我們需要考慮物種進(jìn)化，”該研究的第一作者，海洋基因組學(xué)部門的一名科學(xué)家Jun Inoue說道，他是由佐藤紀(jì)之教授領(lǐng)導(dǎo)的。他說，基因樹需要大量的時(shí)間，精力和數(shù)據(jù)來手工構(gòu)建，因此在過去，許多研究已經(jīng)研究了基因功能而沒有這種情境化信息。通過自動(dòng)估計(jì)基因樹，井上的新軟件可以極大地改善雙邊動(dòng)物(包括人類)基因功能的研究。“這個(gè)軟件可以比較不同基因的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，”井上說。“我希望這個(gè)工具用于醫(yī)學(xué)研究 - 它會(huì)產(chǎn)生很大的不同。

簡化曾經(jīng)困難的過程

在ORTHOSCOPE發(fā)布之前，基因組數(shù)據(jù)的集合分散在各地。構(gòu)建準(zhǔn)確基因樹的能力依賴于獲得足夠的基因組數(shù)據(jù)，但是從網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)角落收集數(shù)據(jù)需要花費(fèi)時(shí)間和精力。為了簡化這一過程，Inoue和Satoh匯編了NCBI和Ensembl基因庫的數(shù)據(jù)，以及已由海洋基因組學(xué)部門建立的大型數(shù)據(jù)庫。

ORTHOSCOPE用戶通過輸入他們感興趣的蛋白質(zhì)編碼基因的編碼序列開始分析。然后他們選擇四組物種中的一組 - 即Protostomia，Deuterostomia，Vertebrata或Actinopterygii-來集中他們的搜索。他們可以通過選擇要采樣的特定物種來進(jìn)一步完善查詢。給定序列數(shù)據(jù)，ORTHOSCOPE自動(dòng)估計(jì)新基因樹并在幾分鐘內(nèi)提供結(jié)果。用戶可以根據(jù)軟件提供的默認(rèn)物種樹或他們自己提供的數(shù)據(jù)重新排列生成的樹。

為了測試他們的新工具，Inoue和Satoh對他們自己進(jìn)行了一些案例研究。例如，研究人員使用ORTHOSCOPE來確定Brachyury基因的多少拷貝，這對于脊索的發(fā)育至關(guān)重要，存在于不同的deuterostome物種中。該軟件證實(shí)了研究人員在之前的一項(xiàng)研究中手動(dòng)收集的結(jié)果，但在很短的時(shí)間內(nèi)完成了這一過程。

在另一個(gè)案例研究中，科學(xué)家能夠識別由于全基因組重復(fù)而進(jìn)化的基因，這是脊椎動(dòng)物進(jìn)化史上的一個(gè)關(guān)鍵事件。全基因組復(fù)制基本上使祖先脊椎動(dòng)物基因組的大小翻了兩番，為更多隨機(jī)突變和新基因功能的引入打開了大門。

這些案例研究表明，通過ORTHOSCOPE，研究人員可以不僅逐個(gè)比較基因，還可以了解它們是如何進(jìn)化的，以及它們在此過程中受影響的物種。

“沒有其他好的方法來估計(jì)或推斷基因功能 - 這個(gè)軟件可以自動(dòng)，快速地完成，”井上說。“我們現(xiàn)在可以了解基因的整個(gè)歷史。”

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