Генетические деревья, как и генеалогические деревья, прослеживают родословную определенного гена от его глубоких наследственных корней до его все еще растущих стеблей. Сравнивая деревья генов с деревьями видов, которые отображают эволюционную историю видов, ученые могут узнать, какие гены у каких видов есть, какие новые функции эти гены приобрели с течением времени и какие функции они, возможно, потеряли. Теперь ученые из Окинавского института науки и технологий последипломного университета (OIST) представили новый инструмент для быстрого выполнения этих анализов без вычислительной головной боли.
Бесплатный веб-инструмент, известный как ORTHOSCOPE, обращается к хорошо зарекомендовавшим себя деревьям видов и примерно 250 наборам геномных данных для оценки деревьев генов и определения ортогрупп - наборов генов, происходящих от одного гена в последнем общем предке. избранная группа видов. От начала до конца, анализ занимает всего несколько минут. Исследователи описали инструмент и несколько тематических исследований, подтверждающих его эффективность, в новой статье, опубликованной 4 декабря 2018 года в Molecular Biology and Evolution.
Быстрое программное обеспечение позволяет исследователям определить, присутствует ли ген в геноме вида и сколько копий существует. Самое главное, это упрощает быстрое определение функции этого гена, а также функций его предков.
«Мы должны думать об эволюции видов, когда думаем о функциях генов», - сказал Джун Иноуэ, первый автор исследования и штатный научный сотрудник отдела морской геномики, возглавляемого профессором Нориюки Сато. Генные деревья требуют значительного времени, усилий и данных для создания вручную, сказал он, поэтому в прошлом многие исследования изучали функцию генов без этой контекстуальной информации. Автоматически оценивая генные деревья, новое программное обеспечение Иноуэ может значительно улучшить исследования функции генов у билатеральных животных, включая людей.
«Это программное обеспечение позволяет сравнивать филогенетические отношения различных генов», - сказал Иноуэ. «Я надеюсь, что этот инструмент будет использоваться в медицинских исследованиях - это имеет большое значение».
Упрощение некогда сложного процесса
До запуска ORTHOSCOPE коллекции геномных данных были разбросаны по всему Интернету. Возможность построения точных генных деревьев зависит от наличия доступа к адекватным геномным данным, но для сбора данных со всех уголков Интернета требуются время и усилия. Чтобы облегчить процесс, Иноуэ и Сато собрали данные из генных банков NCBI и Ensembl, а также большую базу данных, уже созданную подразделением морской геномики.
Пользователи ORTHOSCOPE начинают анализ, просто вводя кодирующие последовательности генов, кодирующих белки, которые их интересуют. Затем они выбирают одну из четырех групп видов, а именно, Protostomia, Deuterostomia, Vertebrata или Actinopterygii, чтобы сосредоточиться их поиск. Они могут уточнить свой запрос, выбрав конкретные виды для выборки. Учитывая данные последовательности, ORTHOSCOPE автоматически оценивает новое дерево генов и предоставляет результаты в течение нескольких минут. Пользователи могут изменить результирующее дерево на основе дерева видов по умолчанию, предоставленного программным обеспечением, или данных, которые они предоставили сами.
Чтобы протестировать свой новый инструмент, Иноуэ и Сато провели несколько собственных тематических исследований. Например, исследователи использовали ORTHOSCOPE, чтобы определить, сколько копий гена Brachyury, который имеет решающее значение для развития хорды, присутствует у разных видов вторичноротых. Программное обеспечение подтвердило результаты, собранные исследователями вручную в предыдущем исследовании, но сделало это за значительно меньшее время.
В другом тематическом исследовании ученые смогли идентифицировать гены, которые развились в результате дублирования всего генома, ключевого события в истории эволюции позвоночных. Дупликация всего генома практически в четыре раза увеличила размер генома предков позвоночных, открыв дверь для более случайных мутаций и введения новых функций генов.
Эти тематические исследования демонстрируют, что с помощью ORTHOSCOPE исследователи могут не только сравнивать гены один за другим, но и изучать, как они развивались и на какие виды они повлияли.
«Нет другого хорошего метода для оценки или вывода о функции генов - это программное обеспечение делает это автоматически и быстро», - сказал Иноуэ. «Теперь мы можем знать всю историю гена».