[학위논문]해양생물의 전장 미토콘드리아 게놈 기반의 종 동정 및 마커도움선발에 관한 연구 Studies on the species identification based on whole mitogenome and marker-assisted selection in marine organisms원문보기
미토콘드리아는 에너지를 생산하는 세포소기관으로 그 게놈은 모계 유전을 통해서 전달된다. 생물의 종을 분류하기 위해 전통적인 형태적인 것에 기반한 방법과 유전학에 기반한 방법이 사용되고 있다. 유전학에 기반한 방법에 사용되는 유전자는 원핵생물에서 16S rRNA, ...
미토콘드리아는 에너지를 생산하는 세포소기관으로 그 게놈은 모계 유전을 통해서 전달된다. 생물의 종을 분류하기 위해 전통적인 형태적인 것에 기반한 방법과 유전학에 기반한 방법이 사용되고 있다. 유전학에 기반한 방법에 사용되는 유전자는 원핵생물에서 16S rRNA, 진핵생물에서 18S rRNA가 있으며, 미토콘드리아의 게놈 DNA에 있는 cox1 유전자 또한 이용되고 있다. 그러나 전통적인 분류법은 사람의 판단에 의존한다는 한계가 있고, 유전자를 활용하는 것도 단일 유전자만을 사용하기 때문에 한계가 존재한다. 따라서 새로운 종 분류를 위한 유전학적 방법의 필요성이 대두되었고 최근에는 미토콘드리아 게놈 DNA를 통한 종 간의 계통학적 관계를 기반으로 종 분류를 하기 위한 시도가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 이러한 사실을 바탕으로 해양생물 8종의 미토콘드리아 게놈 DNA로부터 next-generation sequencing 기법을 활용하여 각 해양생물 종의 전장 미토콘드리아 게놈 서열을 동정하였다. 그로부터 유전자 정보 및 근연종과의 계통학적 관계에 대하여 밝히고자 하였다. 이렇게, 본 연구에서 조사된 8종의 각각의 해양생물 종의 전장 미토콘드리아 게놈의 길이는 Notostomum cyclostomum에서 16,672 bp, Syllis sp.에서 17,092 bp, Pseudopleuronectes herzensteini에서 16,719 bp, Microstomus achne에서 16,971 bp, Acanthopsetta nadeshnyi에서 17,206 bp, Dexistes rikuzenius에서 17,494 bp, Hippoglossoides dubius에서 17,216 bp, 그리고 마지막으로 Laeops kitaharae에서 18,522 bp으로 나타났다. 또한 Syllis sp.에서는 23개의 tRNA와 Laeops kitaharae에서는 2개의 control regions만을 제외하고, 나머지 종들의 미토콘드리아 게놈에서는 일반적인 미토콘드리아 게놈에서의 공통적 구조특징과 같이 13개의 protein-coding genes (PCGs), 22개의 tRNA, 2개의 rRNA과 1개의 control region으로 구성되어 있었다. 특히, Notostomum cyclostomum의 control region에서는 AT-rich (92 %)의 특성을 보였다. cox1 유전자와 전장 미토콘드리아 게놈을 각각 활용하여 수행한 계통학적 분석에서는 기존 분류체계와 다르거나 cox1 유전자와 전장 미토콘드리아 게놈 결과 간의 차이가 나타나는 경우가 관찰되었다. 나일 틸라피아는 난수 어종으로 전세계적으로 생산량과 소비량이 늘어나고 있는 인기 양식어종 중 하나이다. 양식산업에서 소득증대를 위해서는 고성장, 내병성 등 다양한 우량형질을 가진 품종의 개발이 필수적이다. 이를 위해 single nucleotide polymorphism (SNP)와 같은 다양한 유전자 마커의 개발이 이루어지고 있다. 최근에는 이러한 유전자마커를 활용한 marker-assisted selection (MAS)이 시도되고 있다. MAS를 위해서는 유전자마커의 개발이 선행되어야 하고, 이를 분석하기 위한 genotyping 방법의 확립도 필수적이다. 본 연구에서는 나일 틸라피아의 성장호르몬의 promoter, 5’-UTR, first intron, 3’-UTR 영역들에 있는 SNP를 동정하고자 하였다. 총 11개의 SNP를 동정하였으며, promoter 영역에서 7개, first intron 영역에서 3개, 3’-UTR 영역에서 1개의 SNP를 발견하였다. 해당 SNP들의 조합을 이용해 genotypic block (GB)을 구성하였고, 수컷에서 8개, 암컷에서 4개, 암수 공통으로 7개의 GB를 구성하여, 총 19개의 GB를 구성하였으며, 그 구성된 19개 GB와 체중과의 상관관계 규명을 위해 평균 무게의 비교 및 PCA를 수행하였다. 수컷에서는 GBH-2가 높은 체중 형질에 영향을 주는 것으로 밝혀졌고, 암컷에서는 GHB-4가 높은 체중 형질에 은 영향을 주고, GBH-19는 낮은 체중 형질에 영향을 주는 것으로 밝혀졌다. 또한, SNP 기반의 GB를 구분하기 위한 quantitative PCR (qPCR) 기반의 genotyping 방법의 개발을 하고자 하였다. Genotyping의 경제성과 효율성을 확보하기 위해 PS1, PS2, PS3, FIS2, FIS3, 3US1이 최소한의 분석용 SNP로 선정되었다. PNA probe는 DNA probe보다 3US1을 더 잘 구분하였지만, 그 재현성이 떨어지는 단점이 있었다. 따라서 PS3, FIS2, 3US1에 대해서 DNA probe 기반의 qPCR을 수행하여 각각 마커에 존재하는 대립유전자 (allele)를 구분하였다. 또한, DNA 농도는 실험결과에 영향을 주지 않는다는 것과 probe 농도는 10 pmol 미만에서는 분석 능력이 저해된다는 것을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 PS3, FIS3, 3US1에 대한 genotyping 방법은 88% 이상의 정확도를 보였다. 마지막으로 해당 유전자마커의 실제 효과를 검증하기 위해 해당 유전자마커를 기반으로 치어를 생산하였고, 다른 실험군들 대비 24.73%에서 28.98% 정도 높은 체중을 가지는 것으로 확인하였다.
미토콘드리아는 에너지를 생산하는 세포소기관으로 그 게놈은 모계 유전을 통해서 전달된다. 생물의 종을 분류하기 위해 전통적인 형태적인 것에 기반한 방법과 유전학에 기반한 방법이 사용되고 있다. 유전학에 기반한 방법에 사용되는 유전자는 원핵생물에서 16S rRNA, 진핵생물에서 18S rRNA가 있으며, 미토콘드리아의 게놈 DNA에 있는 cox1 유전자 또한 이용되고 있다. 그러나 전통적인 분류법은 사람의 판단에 의존한다는 한계가 있고, 유전자를 활용하는 것도 단일 유전자만을 사용하기 때문에 한계가 존재한다. 따라서 새로운 종 분류를 위한 유전학적 방법의 필요성이 대두되었고 최근에는 미토콘드리아 게놈 DNA를 통한 종 간의 계통학적 관계를 기반으로 종 분류를 하기 위한 시도가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 이러한 사실을 바탕으로 해양생물 8종의 미토콘드리아 게놈 DNA로부터 next-generation sequencing 기법을 활용하여 각 해양생물 종의 전장 미토콘드리아 게놈 서열을 동정하였다. 그로부터 유전자 정보 및 근연종과의 계통학적 관계에 대하여 밝히고자 하였다. 이렇게, 본 연구에서 조사된 8종의 각각의 해양생물 종의 전장 미토콘드리아 게놈의 길이는 Notostomum cyclostomum에서 16,672 bp, Syllis sp.에서 17,092 bp, Pseudopleuronectes herzensteini에서 16,719 bp, Microstomus achne에서 16,971 bp, Acanthopsetta nadeshnyi에서 17,206 bp, Dexistes rikuzenius에서 17,494 bp, Hippoglossoides dubius에서 17,216 bp, 그리고 마지막으로 Laeops kitaharae에서 18,522 bp으로 나타났다. 또한 Syllis sp.에서는 23개의 tRNA와 Laeops kitaharae에서는 2개의 control regions만을 제외하고, 나머지 종들의 미토콘드리아 게놈에서는 일반적인 미토콘드리아 게놈에서의 공통적 구조특징과 같이 13개의 protein-coding genes (PCGs), 22개의 tRNA, 2개의 rRNA과 1개의 control region으로 구성되어 있었다. 특히, Notostomum cyclostomum의 control region에서는 AT-rich (92 %)의 특성을 보였다. cox1 유전자와 전장 미토콘드리아 게놈을 각각 활용하여 수행한 계통학적 분석에서는 기존 분류체계와 다르거나 cox1 유전자와 전장 미토콘드리아 게놈 결과 간의 차이가 나타나는 경우가 관찰되었다. 나일 틸라피아는 난수 어종으로 전세계적으로 생산량과 소비량이 늘어나고 있는 인기 양식어종 중 하나이다. 양식산업에서 소득증대를 위해서는 고성장, 내병성 등 다양한 우량형질을 가진 품종의 개발이 필수적이다. 이를 위해 single nucleotide polymorphism (SNP)와 같은 다양한 유전자 마커의 개발이 이루어지고 있다. 최근에는 이러한 유전자마커를 활용한 marker-assisted selection (MAS)이 시도되고 있다. MAS를 위해서는 유전자마커의 개발이 선행되어야 하고, 이를 분석하기 위한 genotyping 방법의 확립도 필수적이다. 본 연구에서는 나일 틸라피아의 성장호르몬의 promoter, 5’-UTR, first intron, 3’-UTR 영역들에 있는 SNP를 동정하고자 하였다. 총 11개의 SNP를 동정하였으며, promoter 영역에서 7개, first intron 영역에서 3개, 3’-UTR 영역에서 1개의 SNP를 발견하였다. 해당 SNP들의 조합을 이용해 genotypic block (GB)을 구성하였고, 수컷에서 8개, 암컷에서 4개, 암수 공통으로 7개의 GB를 구성하여, 총 19개의 GB를 구성하였으며, 그 구성된 19개 GB와 체중과의 상관관계 규명을 위해 평균 무게의 비교 및 PCA를 수행하였다. 수컷에서는 GBH-2가 높은 체중 형질에 영향을 주는 것으로 밝혀졌고, 암컷에서는 GHB-4가 높은 체중 형질에 은 영향을 주고, GBH-19는 낮은 체중 형질에 영향을 주는 것으로 밝혀졌다. 또한, SNP 기반의 GB를 구분하기 위한 quantitative PCR (qPCR) 기반의 genotyping 방법의 개발을 하고자 하였다. Genotyping의 경제성과 효율성을 확보하기 위해 PS1, PS2, PS3, FIS2, FIS3, 3US1이 최소한의 분석용 SNP로 선정되었다. PNA probe는 DNA probe보다 3US1을 더 잘 구분하였지만, 그 재현성이 떨어지는 단점이 있었다. 따라서 PS3, FIS2, 3US1에 대해서 DNA probe 기반의 qPCR을 수행하여 각각 마커에 존재하는 대립유전자 (allele)를 구분하였다. 또한, DNA 농도는 실험결과에 영향을 주지 않는다는 것과 probe 농도는 10 pmol 미만에서는 분석 능력이 저해된다는 것을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 PS3, FIS3, 3US1에 대한 genotyping 방법은 88% 이상의 정확도를 보였다. 마지막으로 해당 유전자마커의 실제 효과를 검증하기 위해 해당 유전자마커를 기반으로 치어를 생산하였고, 다른 실험군들 대비 24.73%에서 28.98% 정도 높은 체중을 가지는 것으로 확인하였다.
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