차세대염기서열 빅데이터의 생물정보학적 분석을 통한 멸종위기 나비 3종 (왕은점표범나비, 깊은산부전나비, 쌍꼬리부전나비)의 유전체 및 전사체 분석에 관한 연구 Bioinformatic analysis of three endangered butterflies (Fabriciana nerippe, Protantigius superans, Spindasis takanonis) genome and transcriptome data원문보기
본 연구는 국내 멸종위기생물로 지정된 생물종 중 멸종위기Ⅱ 등급이며, 적색목록집 상 취약에 해당하는 나비 3종(species)인 왕은점표범나비(Fabriciana nerippe), 깊은산부전나비(Protantigius superans), 쌍꼬리부전나비(Spindasis takanonis)에 대한 유전체와 전사체를 NGS 장비를 이용하여 ...
본 연구는 국내 멸종위기생물로 지정된 생물종 중 멸종위기Ⅱ 등급이며, 적색목록집 상 취약에 해당하는 나비 3종(species)인 왕은점표범나비(Fabriciana nerippe), 깊은산부전나비(Protantigius superans), 쌍꼬리부전나비(Spindasis takanonis)에 대한 유전체와 전사체를 NGS 장비를 이용하여 염기서열을 해독하고 분석한 연구로 국내 나비에 대한 최초의 유전체 연구이며, 국내 멸종위기 등급의 생물 중 무척추동물군에서는 최초의 연구이다. 왕은점표범나비(F. nerippe)는 네발나비과(Nymphalidae)에 속하는 종으로 주로 산지의 숲 주변과 하천의 둑, 경작지 주변 등 초지에 서식하며, 표범나비아과 중 대형종으로 날개 아래쪽에 은색무늬의 변이가 다양하게 나타난다. 깊은산부전나비(P. superans)는 부전나비과(Lycaenidae)에 속하는 종으로서 중북구 산지를 중심으로 국지적으로 분포하며, 높은 산지의 잡목림이나 그 주변 계곡에 서식하면서 높이 매달린 참나무의 잎 위에 서식한다. 쌍꼬리부전나비(S. takanonis) 역시 부전나비과(Lycaenidae)에 속하는 종으로 경기도, 강원도, 충청도 일부지역에서만 국지적으로 분포하며, 뒷날개에 한쌍의 미상돌기를 가지고 있다. 이 종의 특이점은 유충시기에 개밋과(Formicidae)의 한 종인 마쓰무라꼬리치레개미(Crematogaster mastsumurai)의 서식지에서 이들과 공생(symbiosis)을 통해 먹이교환을 하는 것으로 알려져 있다. 본 연구 대상종들은 멸종위기생물로 허가없이 채집 및 포획이 불가능하기 때문에 우선 각 대상종들이 서식하는 지역의 지역환경유역청으로부터 허가를 받은 후 채집하여 날개를 제거한 몸통부분만을 이용하여 DNA와 RNA를 추출한 후 라이브러리를 구축하여 Illumina HiSeq 2500을 이용하여 염기서열을 해독하였다. 시퀀싱 후 assembly 결과 왕은점표범나비 유전체에서 257,505,716개의 약 31 Gb 서열, 42,597개의 contigs(>500 bp)를 얻었고, 전사체에서는 약 30 Gb의 241,305,349개 read, 114,405개의 Unigenes를 얻었다. 깊은산부전나비(P. superans) 유전체에서는 257,132,821개 raw read의 약 31 Gb 서열, 259,409개의 contigs(>500 bp)를 얻었으며, 전사체는 254,340,693개의 약 31 Gb 서열, 107,950개 unigenes을 얻었다. 쌍꼬리부전나비(S. takanonis)는 유전체에서 266,874,799개, 약 32 Gb 서열과 317,010개 contigs(>500 bp)를 얻었고, 전사체에서 약 30 Gb의 245,110,582개의 서열을 얻었다. Transcriptome 서열들은 기능분석 등을 위해 BLAST를 통해 annotation한 결과, 왕은점표범나비에서는 전체 unigene의 41.2%에 해당하는 47,131개의 결과를 얻었고, 깊은산부전나비에서는 43.3%에 해당하는 44,529개의 결과를, 쌍꼬리부전나비에서는 42.8%에 해당하는 51,908개의 결과를 얻었다. 그리고 KOG, GO를 통해 유전자들을 기능별로 분류하였으며, InterProScan, KEGG pathway 및 SSR 분석 등 생물정보학적 분석을 통하여 다른 기능을 가진 분류군들을 찾았다. 그리고 이러한 멸종위기종에 대한 환경적응 유전자 스크리닝을 통해 AMPK, COL1A1, IRS1, AQP2, HSP70, ILGF1 등의 유전자들을 검색하였다. Genome 해독을 통해 얻어진 서열들의 assembly 결과와 jellyfish 프로그램을 이용하여 각 개체의 genome size 예측 결과, 왕은점표점나비 약 1.7 Gb, 깊은산부전나비 약 700 Mb, 쌍고리부전나비 약 700 Mb로 예측되었고, 10Kb 이상의 large contig 들의 대상으로 한 유전자예측을 통해 얻어진 서열들을 annotation한 결과, 각각 79.5%, 48%, 51% 정도의 매치율를 보여주었다. 그리고 염색체별 분석이 가능한 누에나방(Bombyx mori) chromosome data를 이용해서 3 종의 유전체서열과 synteny 분석을 실시한 결과 왕은점표범나비와 깊은산부전나비의 assembly 결과 쌍꼬리부전나비에서는 scaffold47654 등과 같이 긴 서열에서 유전자군이 형성되어있는 결과를 볼 수 있었으며, 17번 chromosome에서도 특정 enzyme 관련 유전자 군 일부를 확인할 수 있었다. 이러한 국내 멸종위기종 3종 나비에 대한 유전체 및 전사체 분석은 국내에서는 최초로 수행되어진 결과로 이를 통하여 나비목 유전자원을 대량으로 확보하였으며 이를 통해 나비 3종의 국내 생물자원 및 유전자원의 생물주권를 확보하였고, 멸종위기 원인 및 보전과 복원을 위한 전략을 수립하는데 기여할 수 있을 것이다. 그리고 현재 존재하는 다양한 나비목 유전체 서열 및 assembly data들을 기반으로 국내 유일한 나비목 유전체 지도 작성이 가능할 것이며, 이를 통해서 나비목 유전체에 대한 기반을 마련할 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구는 국내 멸종위기생물로 지정된 생물종 중 멸종위기Ⅱ 등급이며, 적색목록집 상 취약에 해당하는 나비 3종(species)인 왕은점표범나비(Fabriciana nerippe), 깊은산부전나비(Protantigius superans), 쌍꼬리부전나비(Spindasis takanonis)에 대한 유전체와 전사체를 NGS 장비를 이용하여 염기서열을 해독하고 분석한 연구로 국내 나비에 대한 최초의 유전체 연구이며, 국내 멸종위기 등급의 생물 중 무척추동물군에서는 최초의 연구이다. 왕은점표범나비(F. nerippe)는 네발나비과(Nymphalidae)에 속하는 종으로 주로 산지의 숲 주변과 하천의 둑, 경작지 주변 등 초지에 서식하며, 표범나비아과 중 대형종으로 날개 아래쪽에 은색무늬의 변이가 다양하게 나타난다. 깊은산부전나비(P. superans)는 부전나비과(Lycaenidae)에 속하는 종으로서 중북구 산지를 중심으로 국지적으로 분포하며, 높은 산지의 잡목림이나 그 주변 계곡에 서식하면서 높이 매달린 참나무의 잎 위에 서식한다. 쌍꼬리부전나비(S. takanonis) 역시 부전나비과(Lycaenidae)에 속하는 종으로 경기도, 강원도, 충청도 일부지역에서만 국지적으로 분포하며, 뒷날개에 한쌍의 미상돌기를 가지고 있다. 이 종의 특이점은 유충시기에 개밋과(Formicidae)의 한 종인 마쓰무라꼬리치레개미(Crematogaster mastsumurai)의 서식지에서 이들과 공생(symbiosis)을 통해 먹이교환을 하는 것으로 알려져 있다. 본 연구 대상종들은 멸종위기생물로 허가없이 채집 및 포획이 불가능하기 때문에 우선 각 대상종들이 서식하는 지역의 지역환경유역청으로부터 허가를 받은 후 채집하여 날개를 제거한 몸통부분만을 이용하여 DNA와 RNA를 추출한 후 라이브러리를 구축하여 Illumina HiSeq 2500을 이용하여 염기서열을 해독하였다. 시퀀싱 후 assembly 결과 왕은점표범나비 유전체에서 257,505,716개의 약 31 Gb 서열, 42,597개의 contigs(>500 bp)를 얻었고, 전사체에서는 약 30 Gb의 241,305,349개 read, 114,405개의 Unigenes를 얻었다. 깊은산부전나비(P. superans) 유전체에서는 257,132,821개 raw read의 약 31 Gb 서열, 259,409개의 contigs(>500 bp)를 얻었으며, 전사체는 254,340,693개의 약 31 Gb 서열, 107,950개 unigenes을 얻었다. 쌍꼬리부전나비(S. takanonis)는 유전체에서 266,874,799개, 약 32 Gb 서열과 317,010개 contigs(>500 bp)를 얻었고, 전사체에서 약 30 Gb의 245,110,582개의 서열을 얻었다. Transcriptome 서열들은 기능분석 등을 위해 BLAST를 통해 annotation한 결과, 왕은점표범나비에서는 전체 unigene의 41.2%에 해당하는 47,131개의 결과를 얻었고, 깊은산부전나비에서는 43.3%에 해당하는 44,529개의 결과를, 쌍꼬리부전나비에서는 42.8%에 해당하는 51,908개의 결과를 얻었다. 그리고 KOG, GO를 통해 유전자들을 기능별로 분류하였으며, InterProScan, KEGG pathway 및 SSR 분석 등 생물정보학적 분석을 통하여 다른 기능을 가진 분류군들을 찾았다. 그리고 이러한 멸종위기종에 대한 환경적응 유전자 스크리닝을 통해 AMPK, COL1A1, IRS1, AQP2, HSP70, ILGF1 등의 유전자들을 검색하였다. Genome 해독을 통해 얻어진 서열들의 assembly 결과와 jellyfish 프로그램을 이용하여 각 개체의 genome size 예측 결과, 왕은점표점나비 약 1.7 Gb, 깊은산부전나비 약 700 Mb, 쌍고리부전나비 약 700 Mb로 예측되었고, 10Kb 이상의 large contig 들의 대상으로 한 유전자예측을 통해 얻어진 서열들을 annotation한 결과, 각각 79.5%, 48%, 51% 정도의 매치율를 보여주었다. 그리고 염색체별 분석이 가능한 누에나방(Bombyx mori) chromosome data를 이용해서 3 종의 유전체서열과 synteny 분석을 실시한 결과 왕은점표범나비와 깊은산부전나비의 assembly 결과 쌍꼬리부전나비에서는 scaffold47654 등과 같이 긴 서열에서 유전자군이 형성되어있는 결과를 볼 수 있었으며, 17번 chromosome에서도 특정 enzyme 관련 유전자 군 일부를 확인할 수 있었다. 이러한 국내 멸종위기종 3종 나비에 대한 유전체 및 전사체 분석은 국내에서는 최초로 수행되어진 결과로 이를 통하여 나비목 유전자원을 대량으로 확보하였으며 이를 통해 나비 3종의 국내 생물자원 및 유전자원의 생물주권를 확보하였고, 멸종위기 원인 및 보전과 복원을 위한 전략을 수립하는데 기여할 수 있을 것이다. 그리고 현재 존재하는 다양한 나비목 유전체 서열 및 assembly data들을 기반으로 국내 유일한 나비목 유전체 지도 작성이 가능할 것이며, 이를 통해서 나비목 유전체에 대한 기반을 마련할 수 있을 것으로 사료된다.
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