生信分析27:基于Ks计算全基因组复制事件

全基因组复制事件(WGD)是某物种的全部染色体由于某种原因整体发生复制而加倍的事件。整体加倍可以是增加一倍,即二倍化事件,也可能增加了两倍,即三倍化事件。

大多数被子植物都经历过多倍化事件。物种在自然选择压力较大的时候可能会发生WGD来丰富自己的DNA原件,如基因、转座子,从而加速自身分化。WGD之后,小部分有利于物种进化的基因被保留,而大多数冗余的基因会消失或变成假基因。

鉴定WGD的方法

Fig 1

Fig 2

Fig 3

1、intragenome duplication:通过严格的比对标准和统计验证将基因组序列与自身进行比对。

(1)Ks 同义替换率(Fig 1)

(2)4DTv (4 fold Degenerate Transversion),四重简并位点的颠换率(Fig 2)

2、double synteny:直接比较不同物种基因组间的线性关系(Fig 3)。目标物种基因组与参考物种比较,分析两者分化后目标物种特异的全基因组复制事件。需要保证选择的参考物种在与目标物种分化后没有发生自身的WGD,否则共线性关系会很混乱。

Ks计算全基因组复制的原理

Fig 4

理论上,两对由复制产生的基因应该有同样的“年龄”,也就是说由于多倍化产生的复制gene pair间序列的分歧应该是一致的。Ks 常用来作为分子钟计算来计算分化或者复制时间,因此Ks分布产生的峰常用来表示复制(物种内部分析)或者分化(种间分析)。

该分析的可视化通过Fig 4来展示。横坐标代表Ks值,纵坐标是基因对的百分比或者数量。相同物种间的比较检测复制,不同物种间的比较检测分化。

Ks对近期的全基因组复制更敏感,对古老的复制事件灵敏度较差。

Ks是同义替换,不受选择压力,呈现中性进化速率,更符合分子钟的假设。

物种间Ks计算

Fig 5

Fig 6

第一步 提取直系同源基因对(Fig 5)

可以利用wgd软件的dmd功能实现

Cisi.cds.fasta_Lich.cds.fasta.rbh存储了直系同源基因对的列表(Fig 6)。

Fig 7

Fig 8

Fig 9

第二步 计算Ks(Fig 7)

可以通过wgd软件的ksd功能实现,最终生成两个输出文件(Fig 8)

主要结果为tsv文件(Fig 9),第九列为Ks值。

Fig 10

svg文件对Ka、Ks以及两者比例做了最基本的展示(Fig 10)。

物种内部计算Ks值

Fig 11

Fig 12

第一步diamond 比对并进行MCL聚类(Fig 11),输出结果包含两个(Fig 12),Cisi.cds.fasta.mcl包含了聚类结果,每一行是一个基因家族。

Fig 13

第二步 计算Ks(Fig 13)

-mp 1000 用来去除非常大的基因家族

输出为Cisi.cds.fasta.ks.tsv,与前面物种间的分析结果一致。

注意特别大的Ks值要去除,在平时的分析中,一般保留小于3或5的Ks值。

Fig 14

需要注意的是对于物种内的分析,由于串联复制和散在复制的影响,Ks可能存在一个小峰(Fig 14),需要去除,即只保留位于共线性区块内部的基因对(未展示)。

Fig 15

画图(Fig 15)


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