Detection of horizontal gene transfer events using the tree-reconciliation method and the inter-taxon transfer trend of virulence factors and antibiotic resistance genes

Abstract

Horizontal gene transfer (HGT) is a fundamental process in microbial evolution where genetic material is transferred between different organisms. It plays a significant role in shaping the genetic diversity and adaptive capabilities of microbial populations. With the advancement of bioinformatics techniques, studying HGT has become increasingly feasible and efficient. Bioinformatics tools enable the analysis of large-scale genomic data, identification of orthologous gene sets, construction of gene and species trees, and the detection of HGT events. By integrating computational approaches with biological knowledge, researchers can uncover the intricate patterns and mechanisms of HGT, unraveling the genetic exchanges that contribute to the evolution and adaptation of microorganisms. The combination of bioinformatics methodologies and experimental validation has opened new avenues for studying HGT dynamics and its impact on the evolution of microbial genomes. This paper summarizes two distinct chapters focusing on horizontal gene transfer (HGT) events and their implications in microbial evolution. Both studies aim to explore the occurrence and characteristics of HGT events, albeit with different emphases. The first paper introduces an improved method (the tree-reconciliation method) for detecting HGT events using gene trees and species trees, resulting in the development of an updated and enhanced database. The second paper examines the trends observed in inter-taxon HGT events related to virulence factors (VFs) and antibiotic resistance genes (ARGs), offering insights into the underlying mechanisms driving these events. Collectively, these studies contribute to our understanding of HGT dynamics and its impact on microbial genomes. The first chapter of the research papers provides a comprehensive literature review on three key topics: horizontal gene transfer (HGT), the tree reconciliation method, and the significance of virulence factors (VFs) and antibiotic resistance genes (ARGs). The literature review explores the fundamental concept of HGT, a process critical to microbial evolution and the transfer of genetic material between organisms. The second chapter focuses on detecting HGT events through the tree-reconciliation method, utilizing gene trees and species trees. The study introduced the HGTree v2.0 database, an updated version of the previous HGTree database (constructed in 2015), in the purpose of coping up with the rapid rise of prokaryotic genome data since 2015. The update incorporates significantly larger datasets, with 5,405,040 putative HGT-related genes detected, improved visual interfaces, an enhanced user query tool, all of them with more reliable data curation procedures. By employing this method and leveraging the database improvements, researchers can more accurately identify and analyze HGT events, shedding light on the evolutionary dynamics of microbial genomes. The third chapter investigates the trends observed in inter-taxon HGT events involving virulence factors (VFs) and antibiotic resistance genes (ARGs). The study revealed a notable disparity in the prevalence of ARGs compared to VFs in inter-genus to inter-phylum HGT events, with a higher occurrence of ARGs. Further analysis of the Cluster of Orthologous Groups (COG) categories demonstrated that essential COG categories related to bacterial survival are more frequently associated with inter-taxon HGT events, especially for ARGs. Additionally, the study associated various functional aspects and categories, providing comprehensive insights into the functional aspects of these inter-taxon HGT events-related genes. The investigation also extends to six multi-drug-resistant (MDR) candidate species, revealing an even greater involvement of ARGs in inter-taxon HGT events within each MDR species. These research papers will enhance our understanding of HGT events and their impact on microbial evolution. The first paper introduces an improved method and the HGTree v2.0 database for detecting HGT events and studying gene and species trees. The second paper highlights the prevalence of ARGs in inter-taxon HGT events and investigates the underlying factors, providing valuable insights into the genetic mechanisms shaping microbial genomes.

수평 유전자 이동 (Horizontal gene transfer, HGT)은 유전자가 서로 다른 생물체에게 전달되는 현상으로 미생물 진화의 근본적인 과정이다. 이는 미생물의 유전적 다양성과 적응 능력을 형성하는 데 중요한 역할을 한다. 생물정보학 기술의 발전으로 HGT의 연구가 점점 더 효율적으로 가능 해졌고 이를 통해 미생물 유전자 교환에 기여하는 복잡한 여러 패턴과 기작을 밝혀낼 수 있다. 이 논문은 HGT 현상과 그것의 의미를 파헤치는 데 초점을 맞춘 두 가지 다른 논문으로 구성되어 있다. 두 논문 모두 HGT 현상의 발생과 특성을 탐구하려는 목표를 가지고 있지만, 각각 강조하는 것은 다르다. 첫 번째 논문은 유전자 계통수 (gene tree)와 종 계통수 (species tree) 사용하여 HGT 현상을 규명하는 기존보다 개선된 계통수 조화 방법 (tree-reconciliation method)과, 이를 통해 개발된 새로운 버전의 데이터베이스를 소개한다. 두 번째 논문은 병원성 인자 (virulence factor, VFs)와 항생제 내성 인자 (antibiotics resistance genes, ARGs)와 관련된 분류군 간 (inter-taxon) HGT 현상에서 관찰된 동향을 조사하여 그것을 주도하는 기작에 대한 통찰 및 설명을 그 내용으로 한다. 이 논문의 첫 번째 챕터는 HGT, 계통수 조화 방법, 병원성 인자와 항생제 내성 인자라는 네 가지 주제에 대한 포괄적인 문헌 조사로 이루어져 있다. 이러한 문헌 조사로 본 논문의 내용을 간결하게 전달하고 미생물 진화와 유전 물질의 이동에 중요한 역할을 하는 HGT의 근본적인 개념을 탐구했다. 두 번째 챕터는 유전자 계통수와 종 계통수를 활용하여 HGT 현상을 탐지하는 계통수 조화 방법에 그 초점을 맞추고 있다. 본 연구에서는 2015년에 구축된 이전 버전의 HGTree 데이터베이스의 개선된 버전인 HGTree v2.0 데이터베이스를 소개한다. 본 업데이트는 2015년 이후 급증한 원핵 생물의 유전체 데이터에 대응하기 위함이 그 목적이었으며, 5,405,040개의 HGT관련 유전자를 포함한 더욱 많은 양의 데이터셋을 포함한다. 또한, HGTree v2.0은 본 업데이트를 통해 사용자 인터페이스와 데이터 검증 절차도 크게 개선되었으며 사용자가 자신의 유전체 속 HGT 관련 유전자를 직접 조사할 수 있는 User-query Processor 또한 포함하고 있다. 개선된 현 데이터베이스를 활용하여 연구자들은 보다 정확하게 HGT 현상을 식별하고 분석할 수 있으며, 미생물 유전체의 진화에 대한 HGT의 역학에 대한 통찰 또한 가능할 것이다. 세 번째 챕터에서는 VFs와 ARGs를 포함한 분류군 간 HGT 현상에서 관찰된 동향을 조사했다. 본 연구는 분류군 간 HGT 현상에서 ARGs의 이동이 VFs 보다 높은 것을 확인했으며, Cluster of Orthologous Genes (COG) 카테고리 분석을 통해 박테리아 생존과 관련된 필수적 COG 카테고리가 분류군 간 HGT 현상에서 더 자주 연관되어 있음 또한 발견했다. 또한, 본 연구에서는 VFs와 ARGs들의 여러가지 다른 기능적 측면을 조사해 분류군 간 HGT 현상에 관련된 VFs와 ARGs들의 포괄적인 통찰을 제공한다. 본 조사는 추가로 6가지의 다제내성 (MDR) 후보 박테리아 종들의 분류군 간 HGT 현상에서의 VFs와 ARGs의 세부적 동향을 분석해 MDR 후보군들의 ARGs가 전체적인 동향 보다 더 활발히 분류군 간 HGT 현상에 관여함을 알아냈다. 위의 연구들을 통해 HGT 현상이 가지는 여러가지 측면에 대하여 이해할 수 있었다. 본 연구들을 통해 미생물의 유전적 기능, 종 분류, 나아가 미생물의 진화에 대한 전반적인 연구에 활용될 수 있다.