GLADE: Accurate inference of Gains, Losses, Ancestral genomes, and Duplication Events for comparative genomics

지구상의 생명 역사를 거대하고 넓게 펼쳐진 가계도라고 상상해 보십시오. 수백만 년에 걸쳐 이 가계도의 서로 다른 가지들(종)은 자신들의 '도구 상자'인 유전자들을 끊임없이 재구성해 왔습니다. 때로는 새로운 도구를 집어 들기도 하고(획득), 때로는 오래된 도구를 버리기도 하며(손실), 때로는 새로운 용도로 사용하기 위해 도구의 복사본을 추가로 만들기도 합니다(중복).

과학자들은 종들이 환경에 어떻게 적응했는지 이해하기 위해, 이러한 변화가 정확히 언제, 어디서 일어났는지 지도로 그려내기를 오랫동안 원해 왔습니다. 하지만 현대 종들의 무질서한 도구 상자를 살펴보는 것은, 손주들의 차고지에 흩어져 있는 도구들만 보고 증조할아버지의 작업실이 어떻게 생겼을지 추측하려는 것과 같습니다. 무엇이 원래 있었던 것이고 무엇이 나중에 추가되거나 사라진 것인지 구별하는 것은 매우 어렵습니다.

GLADE의 등장.

GLADE를 계보를 전문으로 하는 고성능, 시간 여행 탐정이라고 생각하십시오. GLADE의 임무는 표준적인 유전적 관계 목록(구체적으로, OrthoFinder라는 인기 있는 도구의 출력값)을 받아 모든 '도구 상자'(오솔로그 그룹, orthogroup)의 전체 역사를 계통수 전체에 걸쳐 재구성하는 것입니다.

작동 방식은 다음과 같습니다:

• 입력: 여러분은 GLADE에 유사한 유전자들을 그룹화해 놓은 데이터 폴더를 제공합니다. 특별한 것이 필요하지 않습니다. 그저 누가 누구와 관련되어 있는지에 대한 표준적인 지도만 있으면 됩니다.
• 과정: GLADE는 계통수의 가지들을 살펴보며 질문합니다. "이 종은 새로운 도구를 얻었는가? 그들은 오래된 것을 잃었는가? 그들은 여분의 도구를 만들기 위해 도구를 복사했는가?" GLADE는 모든 가지에 대해 이 과정을 수행하며, 효과적으로 시간을 되돌려 계통수의 각 분기점에서 조상들의 '작업실'(게놈)을 재건합니다.
• 출력: GLADE는 여러분에게 가지별로 완벽한 역사를 건네줍니다. 여러분은 종들이 갈라지기 전에 조상들이 무엇을 가지고 있었는지 볼 수 있으며, 특정 유전자가 획득되거나 손실된 정확한 순간을 확인할 수 있습니다.

이것이 왜 중요한 일인가요?

저자들은 실제 데이터와 컴퓨터 시뮬레이션을 모두 사용하여 GLADE를 다른 방법들과 비교 테스트했습니다. 그 결과, GLADE는 현재 사용 가능한 다른 어떤 도구보다 더 선명한 안경과 같다는 것을 발견했습니다. GLADE는 획득, 손실, 중복을 훨씬 더 높은 정밀도로 식별해 내며, 이는 조상들이 어떤 모습이었는지 추측할 때 실수를 훨씬 적게 한다는 것을 의미합니다.

논문에 등장하는 실제 사례

GLADE의 능력을 보여주기 위해, 연구진은 78종의 다양한 포유류를 연구하는 데 GLADE를 사용했습니다. 그들은 특히 개미나 흰개미를 먹고 사는 동물들(개미핥기나 땅돼지 같은 동물들)에 주목했습니다.

유전자의 역사를 추적함으로써, GLADE는 이 특정 육식 포유류들로 이어지는 가지들에서 치아 형성과 관련된 유전자들이 반복적으로 "버려진"(손실된) 패턴을 밝혀냈습니다. 이는 서로 다른 계통에서 독립적으로 발생했습니다. 마치 자연이 "더 이상 개미를 먹는 데 치아가 필요 없다"라고 판단하여 치아를 위한 설계도를 여러 번 삭제한 것과 같습니다. 이는 그들의 독특한 식단 뒤에 숨겨진 수렴적 게놈 시그니처(공통된 유전적 전략)를 드러냈습니다.

요약하자면, GLADE는 과학자들이 진화의 미세한 기록을 읽을 수 있도록 돕는 매우 정확한 새로운 도구이며, 종들이 생존하고 번성하기 위해 어떻게 유전적 도구를 얻고, 잃고, 복제했는지를 정확히 보여줍니다. 이 도구와 사용 설명서는 누구나 사용할 수 있도록 자유롭게 공개되어 있습니다.