微生物ゲノムにおけるマルチオペロンコリニアシンテニックブロックの発見

Discovery of multi-operon colinear syntenic blocks in microbial genomes.

• Dina Svetlitsky
• Tal Dagan
• Michal Ziv-Ukelson

抄録

モチベーション:

比較ゲノミクスにおける重要な課題は、遺伝子コンテクストパターンを解析して機能単位を検出することである。コリニアシンテニックブロック（CSB）とは、広い範囲の分類群において、一貫して同じ近傍で同じ順序でコードされている遺伝子のグループのことである。このようなCSBは原核生物の遺伝子発現制御に必須であると考えられている。このようなCSBは、原核生物の遺伝子発現制御に不可欠なものであると考えられている。このような計算課題は、大規模なデータセットでのスケーラビリティの課題を提起している。

MOTIVATION: An important task in comparative genomics is to detect functional units by analyzing gene-context patterns. Colinear syntenic blocks (CSBs) are groups of genes that are consistently encoded in the same neighborhood and in the same order across a wide range of taxa. Such CSBs are likely essential for the regulation of gene expression in prokaryotes. Recent results indicate that colinearity can be conserved across multiple operons, thus motivating the discovery of multi-operon CSBs. This computational task raises scalability challenges in large datasets.

結果:

本研究では、大規模ゲノムデータセットにおけるクロスストランド・マルチオペロンCSBの発見のための効率的なアルゴリズムを提案する。提案するアルゴリズムは一致点演算を用いており、微生物ゲノムの大規模データセットに対して実行時間と空間要件の点でスケーラブルである。このアルゴリズムは、CSBFinder-Sと呼ばれるグラフィカルユーザーインターフェースを備えたツールに実装され、組み込まれている。CSBFinder-Sを原核生物ゲノム1485本のデータマイニングに適用し、同定されたクロスストランドCSBを解析した。その結果、ほとんどのシンテニックブロックがコリニアであることがわかった。また、バクテリアでは転写遺伝子の重なりによる転写制御が盛んに行われていることが示された。また、CSBFinder-Sを用いて、2型分泌系、4型ピルス系、DNA取り込み機構などの複数の文脈におけるPulEFの共通機能を明らかにすることができた。

RESULTS: We propose an efficient algorithm for the discovery of cross-strand multi-operon CSBs in large genomic datasets. The proposed algorithm uses match-point arithmetic, which is scalable for large datasets of microbial genomes in terms of running time and space requirements. The algorithm is implemented and incorporated into a tool with a graphical user interface, called CSBFinder-S. We applied CSBFinder-S to data mine 1485 prokaryotic genomes and analyzed the identified cross-strand CSBs. Our results indicate that most of the syntenic blocks are exclusively colinear. Additional results indicate that transcriptional regulation by overlapping transcriptional genes is abundant in bacteria. We demonstrate the utility of CSBFinder-S to identify common function of the gene-pair PulEF in multiple contexts, including Type 2 Secretion System, Type 4 Pilus System and DNA uptake machinery.

利用可能性と実装:

CSBFinder-Sのソフトウェアとコードは https://github.com/dinasv/CSBFinder で公開されている。

AVAILABILITY AND IMPLEMENTATION: CSBFinder-S software and code are publicly available at https://github.com/dinasv/CSBFinder.

補足情報:

補足データはBioinformatics onlineで公開されている。

SUPPLEMENTARY INFORMATION: Supplementary data are available at Bioinformatics online.

© The Author(s) 2020. Published by Oxford University Press.