[논문]진핵생물과 원핵생물의 미토콘드리아 관련 보존적 유전자 비교

이동근

doi:10.5352/jls.2014.24.7.791

진핵생물과 원핵생물의 미토콘드리아 관련 보존적 유전자 비교
Comparison of Mitochondria-related Conserved Genes in Eukaryotes and Prokaryotes 원문보기

생명과학회지 = Journal of life science, v.24 no.7 = no.171, 2014년, pp.791 - 797

초록
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원핵과 진핵생물에 공통 보존적인 OG (Orthologous Group of proteins)를 미토콘드리아 관련 OG와 비관련 OG로 나누어 분석하였다. 62개의 원핵-진핵생물 공통적 COG (Clusters of OG)중 20개가 미토콘드리아 관련 OG였고 이들은 모두 번역관련 OG로 생명현상에서의 단백질의 중요성을 확인할 수 있었다. 세포내 절대기생체인 뇌회백염원충은 비교대상 다른 생물들 모두에 공통적인 미토콘드리아 관련 OG가 전혀 없었다. 뇌회백염원충을 제외한 6개 진핵생물과 원핵생물 63종에 모두 보존적인 미토콘드리아 관련 OG는 17개였다. Phylogenetic tree의 distance 분석을 수행하니 보존적 OG가 원핵생물에서 미토콘드리아 관련 OG와 비관련 OG 등 각각 2개의 그룹으로 나누어 졌고(p<0.001, paired t-test) 진핵생물은 그렇지 않았다(p>0.05, paired t-test). 보존성이 가장 높은 ortholog는 미토콘드리아 관련 OG에서는 COG0048-KOG1750 (ribosomal small subunit S12)이었고, 미토콘드리아 비관련 OG에서는 COG0100-KOG0407 (ribosomal small subunit S11)이었다. 본 연구결과는 진화관계 등의 기초학문적 연구와 치료제 개발 등의 자료가 될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Sixty-two conserved orthologous groups (OGs) of proteins, in 63 prokaryotes and seven eukaryotes were analyzed to identify essential proteins in the mitochondria of eukaryotes, and their counterparts in prokaryotes. Twenty OGs were common in eukaryotic mitochondria, and all were translation related. Encephalitozoon cuniculi, an obligate parasitic eukaryote, shares no common mitochondrial OGs with the other 69 organisms. Seventeen conserved OGs were mitochondria related in the 69 organisms. Mitochondria related- and nonrelated-OGs were divided into prokaryotic genomes (p<0.001, paired t-test) unlike eukaryotic genomes in the distance value analysis. The most commonly conserved mitochondria-related OG was COG0048-KOG1750 (ribosomal small subunit S12), whereas it was COG0100-KOG0407 (ribosomal small subunit S11) in nonrelated OGs. These results could be applied in scientific research to determine phylogenetic relationships and in areas such as drug development.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구는 원핵과 진핵생물에 공통적으로 보존적인 OG를 미토콘드리아 관련 OG와 비관련 OG로 파악함으로써 현재 생명체에 대한 이해를 높이고자 하였다. 이를 위하여 70종 생물의 유전체에서 진핵생물 기준 70개의 OG를 추출하고 아미노산 서열분석을 하였다.

제안 방법

이에 본 연구는 원핵과 진핵생물에 공통적으로 보존적인 OG를 미토콘드리아 관련 OG와 비관련 OG로 파악함으로써 현재 생명체에 대한 이해를 높이고자 하였다. 이를 위하여 70종 생물의 유전체에서 진핵생물 기준 70개의 OG를 추출하고 아미노산 서열분석을 하였다. 보존성은 ribosomal small subunit가 높은 것을 확인하였다.

대상 데이터

COGs와 KOGs에서 단세포 진핵생물인 Saccharomyces cerevisiae (빵효모), Schizosaccharomyces pombe (분열효모), Encephalitozoon cuniculi (뇌회백염원충) 3종은 공통이었다. 따라서 총 70종의 유전체 자료를 분석하였다.
유전체 정보는 COGs, KOGs 등 NCBI의 공개 서버에서 추출하였다[5]. 원핵생물과 진핵생물의 유전자 유사성에 관한 자료는 COGs와 KOGs에서 정리된 자료를 이용하였는데, COGs는 2013년 8월 현재 63종의 원핵생물과 3종의 단세포 진핵생물 등 총 66종의 미생물 유전체에 포함된 총 144,324개의 유전자들을 4,873개의 COG 그룹으로 분류해 놓았다[6].

데이터처리

70종의 생물에 보존적인 COG 기준 62개, KOG 기준 71개의 OG (Orthologous Group of proteins)가 나타내는 distance value의 평균과 분산을 각 OG와 생물에 대하여 분석하여 보존성 정도를 파악하였다. 보존적 OG를 미토콘드리아 관련 OG와 비관련 OG로 나누어 분석하였다.
66종의 미생물들이 공통적으로 함유하는 보존적 COG 63종류에 속하는 단백질들의[12] 이름과 서열을 기반으로 KOG 공개 데이터베이스에서 원핵과 진핵생물에 보존적이며 진핵생물에 분포하는 KOG를 추출하였으며, 원핵생물 63종과 진핵생물 7종 모두에 보전적인 COG는 62개였다[11]. 추출된 KOG와 그에 상응하는 COG 각각에서 단백질 서열을 확보하였고 ClustalX ver. 2.1을 이용한 다중서열정렬을 수행한 후 phylogenetic tree를 작성하면서 bootstrap (n=1,000) 분석으로 신뢰도를 높였다[10]. Bootstrap 분석으로 distance value를 담고 있는 ‘*.

이론/모형

서열정렬의 parameter는 기본값을 이용하였다. Phylodraw 프로그램(ver 0.8) [3]을 이용하여 각 단백질의 distance value를 구하였고, distance value를 포함한 자료의 분석과 정리에는 MS사의 엑셀 프로그램을 이용하였다.

성능/효과

결론적으로 진핵과 원핵생물 유래 70종의 유전체에서 진핵생물 기준으로 70개의 미토콘드리아 OG들을 구성하는 각 구성원에 대한 분석을 통하여 첫째, 미토콘드리아 보존적 OG는 모두 미토콘드리아 자체의 번역(translation)에 관련되었고 둘째, 분석대상 OG들이 고세균과 진정세균 즉 원핵생물에서는 미토콘드리아 관련 OG와 비관련 OG로 보존성이 구분되지만 진핵생물은 구분되지 않았다. 셋째, 보존성은 미토콘드리아 ribosomal small subunit가 높은 것을 확인하였다.
결론적으로 진핵과 원핵생물 유래 70종의 유전체에서 진핵생물 기준으로 70개의 미토콘드리아 OG들을 구성하는 각 구성원에 대한 분석을 통하여 첫째, 미토콘드리아 보존적 OG는 모두 미토콘드리아 자체의 번역(translation)에 관련되었고 둘째, 분석대상 OG들이 고세균과 진정세균 즉 원핵생물에서는 미토콘드리아 관련 OG와 비관련 OG로 보존성이 구분되지만 진핵생물은 구분되지 않았다. 셋째, 보존성은 미토콘드리아 ribosomal small subunit가 높은 것을 확인하였다.

후속연구

본 연구로 도출한 17개의 진핵생물 미토콘드리아 보존적 KOG는 현재 진핵생물의 미토콘드리아에서 생명체의 기능 유지에 필수적 역할을 담당하는 것으로 간주할 수 있으며 원핵생물에도 분포한다. 본 연구결과는 미토콘드리아 관련 유전자와 원핵생물의 보존성과 함께 항생제의 부작용을 줄이기 위해 공통적이지 않은 유전자를 타겟으로 한 치료 대상 단백질 연구[11, 14, 19] 등 기능적 연계에 대한 이해를 높일 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미토콘드리아가 중요한 이유는?	Euryarchaebacteria와 α-Proteobacteria의 자매(sister) 유전자가 진핵생물 핵내에 많이 분포하며[17] 미토콘드리아 유전자는 핵내 유전자와 다른 진화속도 및 경로를 거쳤다는 보고[10], 미토콘드리아는 α-Proteobacteria에 속하는 Rickettsia 종(species) 혹은 해양의 dwelling clade에서 유래되었다고 한다[7]. 또한 미토콘드리아는 생체에너지인 ATP 생산에 중요하며 미토콘드리아 DNA의 이상은 근육과 뇌 등 신경계의 질병, 당뇨병과 청각 및 시각의 상실 등을 야기시키는 등 인간에게도 매우 중요하다[4].
	OG (Orthologous Group of proteins)란 무엇인가?	OG (Orthologous Group of proteins)는 ortholog들에서 유래된 단백질의 집합으로 구조와 기능이 유사하다. COG (Clusters of OG)가 미생물에서 보고된 이후 진핵생물의 KOG (euKaryotic OG)와 orthoDB, 파지의 POG (Phage COG), 세포내 기생세균인 mollicutes의 OG (MOG), 고세균의 arCOG (archaebacterial COG), 그리고 세균, 고세균, 진핵생물 등을 가리지 않고 OG를 파악하는 eggNOG, OMA 등의 database가 보고되고 있다[15].
	genome annotation 작업이 기반으로 하고 있는, 상동서열은 어떻게 나눌 수 있나?	생물의 게놈서열을 파악하고 유전자의 갯수와 종류를 밝히는 genome annotation 작업이 오늘날 많이 수행되고 있다[21]. Annotation은 상동성(homology)에 기반하는데 상동서열(homolog)은 ortholog와 paralog로 나눌 수 있다[9]. 서로 다른 생물종들에 분포하지만 공통조상 유전자에서 유래한 유전자들의 집합이 ortholog이며, 동일 ortholog에 속하는 단백질들은 서열과 기능이 유사하거나 동일하다[16].

참고문헌 (21)

Andersson, S. G. E., Zomorodipour, A., Andersson, J. O., Sicheritz-Ponten, T., Alsmark, U. C., Podowski, R. M., Naslund, A. K., Eriksson, A. S., Winkler, H. H. and Kurland, C. G. 1998. The genome sequence of Rickettsia prowazekii and the origin of mitochondria. Nature 396, 134-140.
Buysse, J. M. 2001. The role of genomics in antibacterial target discovery. Curr Med Chem 8, 1713-1726.

상세보기
Choi, J. H., Jung, H. Y., Kim, H. S. and Cho, H. G. 2000. PhyloDraw: a phylogenetic tree drawing system. Bioinformatics 16, 1056-1058.

상세보기
Finsterer, J. 2007. Hematological manifestations of primary mitochondrial disorders. Acta Haematol 118, 88-98.

상세보기
Fraser, C. M., Eisen, J. A. and Salzberg, S. L. 2000. Microbial genome sequencing. Nature 406, 799-803.

상세보기
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/COG/
Huynen, M. A., Duarte, I. and Szklarczyk, R. 2013. Loss, replacement and gain of proteins at the origin of the mitochondria. Biochim Biophys Acta 27, 224-231.
Kimura, M. 1983. The neutral theory of molecular evolution. Cambridge University Press.
Kristensen, D. M., Kannan, L., Coleman, M. K., Wolf, Y. I., Sorokin, A., Koonin, E. V. and Mushegian, A. 2010. A low-polynomial algorithm for assembling clusters of orthologous groups from intergenomic symmetric best matches. Bioinformatics 26, 1481-1487.

상세보기
Kuramae, E. E., Robert, V., Snel, B. and Boekhout, T. 2006. Conflicting phylogenetic position of Schizosaccharomyces pombe. Genomics 88, 387-393.

상세보기
Lee, D. -G. 2013. Investigation of conserved genes in eukaryotes common to prokaryotes. J Life Sci 23, 595-601.

원문보기 상세보기
Lee, D. -G., Lee, J. -H., Lee, S. -H., Ha, B. -J., Kim, C. -M., Shim, D. -H., Park, E. -K., Kim, J. -W., Li, H. -Y., Nam, C. -S., Kim, N. -Y., Lee, E. -J., Back, J. -W. and Ha, J. -M. 2005. Investigation of conserved genes in microorganism. J Life Sci 15, 261-266.

원문보기 상세보기
Makarova, K. S., Sorokin, A. V., Novichkov, P. S., Wolf, Y. I. and Koonin, E. V. 2007. Clusters of orthologous genes for 41 archaeal genomes and implications for evolutionary genomics of archaea. Biol Direct 2, 33.

상세보기
Moon, E. K., Chung, D. I., Hong, Y. C., Ahn, T. I. and Kong, H. H. 2008. Acanthamoeba castellanii: gene profile of encystation by ESTs analysis and KOG assignment. Exp Parasitol 119, 111-116.

상세보기
Powell, S., Szklarczyk, D., Trachana, K., Roth, A., Kuhn, M., Muller, J., Arnold, R., Rattei, T., Letunic, I., Doerks, T., Jensen, L. J., von Mering, C. and Bork, P. 2012. eggNOG v3.0: orthologous groups covering 1133 organisms at 41 different taxonomic ranges. Nucleic Acids Res 40, D284-D289.

상세보기
Tatusov, R. L., Fedorova, N. D., Jackson, J. D., Jacobs, A. R., Kiryutin, B., Koonin, E. V., Krylov, D. M., Mazumder, R., Mekhedov, S. L., Nikolskaya, A. N., Rao, B. S., Smirnov, S., Sverdlov, A. V., Vasudevan, S., Wolf, Y. I., Yin, J. J. and Natale, D. A. 2003. The COG database: an updated version includes eukaryotes. BMC Bioinformatics 4, 41.

상세보기
Tatusov, R. L., Koonin, E. V. and Lipman, D. L. 1997. A genomic perspective on protein families. Science 278, 631-637.

상세보기
Thiergart, T., Landan, G., Schenk, M., Dagan, T. and Martin, W. F. 2012. An evolutionary network of genes present in the eukaryote common ancestor polls genomes on eukaryotic and mitochondrial origin. Genome Biol Evol 4, 466-485.

상세보기
Tsaousis, A. D., Kunji, E. R., Goldberg, A. V., Lucocq, J. M., Hirt, R. P. and Embley, T. M. 2008. A novel route for ATP acquisition by the remnant mitochondria of Encephalitozoon cuniculi. Nature 453, 553-556.

상세보기
Welch, R. A., Burland, V, Plunkett, G 3rd., Redford, P., Roesch, P., Rasko, D., Buckles, E. L., Liou, S. R., Boutin, A., Hackett, J., Stroud, D., Mayhew, G. F., Rose, D. J., Zhou, S., Schwartz, D. C., Perna, N. T., Mobley, H. L., Donnenberg, M. S. and Blattner, F. R. 2002. Extensive mosaic structure revealed by the complete genome sequence of uropathogenic Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci USA 99, 17020-17024.

상세보기
Wibberg, D., Jelonek, L., Rupp, O., Hennig, M., Eikmeyer, F., Goesmann, A., Hartmann, A., Borriss, R., Grosch, R., Puhler, A. and Schluter, A. 2013. Establishment and interpretation of the genome sequence of the phytopathogenic fungus Rhizoctonia solani AG1-IB isolate 7/3/14. J Biotechnol 20, 142-155.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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