Nitrosomonadales 목에서 속하는 균주 중 현재 유전체 서열이 알려진 모든 유전체(N=10)를 이용하여 범유전체 및 핵심유전체 분석을 수행한 결과, 각각 9,808개와 908개 유전자클러스터를 포함하는 것을 확인하였다. Betaproteobacteria의 다른 목의 참조군들과 비교를 통하여 범유전체와 핵심유전체의 크기에 유전체의 수와 집단 내의 유전체들의 차이가 영향을 미치는 것을 확인하였다. Nitrosomonas 속과 Nitrosospira 속의 범유전체는 7,180개와 4,586개, 핵심유전체는 1,092개와 1,600로로 각각 측정되어 Nitrosospira 속의 동질성이 더 높은 것을 확인하였다. Nitrosomonadales 목의 범유전체와 핵심유전체의 크기에 Nitrosomonas 속이 대부분의 영향을 미치는 것을 확인하였다. COG 분석을 통하여 핵심유전체의 크기에는 J (translation, ribosomal structure and biogenesis) 범주가 가장 큰 비율(9.7-21.0%)을 차지하며, 유전체 사이의 유전적 거리가 먼 집단일수록 그 비율이 높아지는 것을 확인하였다. 범유전체의 크기에는 "-" (unclassified) 범주가 34-51%의 높은 비율을 차지하고 있을 정도로 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 총 97개의 유전자 클러스터가 참조군에는 없고 Nitrosomonadales에만 존재하는 것을 확인하였다. 이들 클러스터들은 Nitrosomonadales을 특징 지우는 유전자들인 ammonia monooxygenase의 유전자인 amoA와 amoB와 그와 관련 있는 amoE와 amoD들을 포함하는 반면에 unclassified 유전자들도 상당량(16-45%)을 포함하고 있다. 이러한 유전자 클러스터는 Nitrosomonadales의 유전적 특이성을 밝히는 데 중요한 역할을 할 것이다.
Nitrosomonadales 목에서 속하는 균주 중 현재 유전체 서열이 알려진 모든 유전체(N=10)를 이용하여 범유전체 및 핵심유전체 분석을 수행한 결과, 각각 9,808개와 908개 유전자클러스터를 포함하는 것을 확인하였다. Betaproteobacteria의 다른 목의 참조군들과 비교를 통하여 범유전체와 핵심유전체의 크기에 유전체의 수와 집단 내의 유전체들의 차이가 영향을 미치는 것을 확인하였다. Nitrosomonas 속과 Nitrosospira 속의 범유전체는 7,180개와 4,586개, 핵심유전체는 1,092개와 1,600로로 각각 측정되어 Nitrosospira 속의 동질성이 더 높은 것을 확인하였다. Nitrosomonadales 목의 범유전체와 핵심유전체의 크기에 Nitrosomonas 속이 대부분의 영향을 미치는 것을 확인하였다. COG 분석을 통하여 핵심유전체의 크기에는 J (translation, ribosomal structure and biogenesis) 범주가 가장 큰 비율(9.7-21.0%)을 차지하며, 유전체 사이의 유전적 거리가 먼 집단일수록 그 비율이 높아지는 것을 확인하였다. 범유전체의 크기에는 "-" (unclassified) 범주가 34-51%의 높은 비율을 차지하고 있을 정도로 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 총 97개의 유전자 클러스터가 참조군에는 없고 Nitrosomonadales에만 존재하는 것을 확인하였다. 이들 클러스터들은 Nitrosomonadales을 특징 지우는 유전자들인 ammonia monooxygenase의 유전자인 amoA와 amoB와 그와 관련 있는 amoE와 amoD들을 포함하는 반면에 unclassified 유전자들도 상당량(16-45%)을 포함하고 있다. 이러한 유전자 클러스터는 Nitrosomonadales의 유전적 특이성을 밝히는 데 중요한 역할을 할 것이다.
All known genomes (N=10) in the order Nitrosomonadales were analyzed to contain 9,808 and 908 gene clusters in their pan-genome and core genome, respectively. Analyses with reference genomes belonging to other orders in Betaproteobacteria revealed that sizes of pan-genome and core genome were depend...
All known genomes (N=10) in the order Nitrosomonadales were analyzed to contain 9,808 and 908 gene clusters in their pan-genome and core genome, respectively. Analyses with reference genomes belonging to other orders in Betaproteobacteria revealed that sizes of pan-genome and core genome were dependent on the number of genomes compared and the differences of genomes within a group. The sizes of pan-genomes of the genera Nitrosomonas and Nitrosospira were 7,180 and 4,586 and core genomes, 1,092 and 1,600, respectively, which implied that similarity of genomes in Nitrosospira were higher than Nitrosomonas. The genomes of Nitrosomonas contributed mostly to the size of the pan-genome and core genomes of Nitrosomonadales. COG analysis of gene clusters showed that the J (translation, ribosomal structure and biogenesis) category occupied the biggest proportions (9.7-21.0%) among COG categories in core genomes and its proportion increased in the group which genetic distances among members were high. The unclassified category (-) occupied very high proportions (34-51%) in pan-genomes. Ninety seven gene clusters existed only in Nitrosomonadales and not in reference genomes. The gene clusters contained ammonia monooxygenase (amoA and amoB) and -related genes (amoE and amoD) which were typical genes characterizing the order Nitrosomonadales while they contained significant amount (16-45%) of unclassified genes. Thus, these exclusively-conserved gene clusters might play an important role to reveal genetic specificity of the order Nitrosomonadales.
All known genomes (N=10) in the order Nitrosomonadales were analyzed to contain 9,808 and 908 gene clusters in their pan-genome and core genome, respectively. Analyses with reference genomes belonging to other orders in Betaproteobacteria revealed that sizes of pan-genome and core genome were dependent on the number of genomes compared and the differences of genomes within a group. The sizes of pan-genomes of the genera Nitrosomonas and Nitrosospira were 7,180 and 4,586 and core genomes, 1,092 and 1,600, respectively, which implied that similarity of genomes in Nitrosospira were higher than Nitrosomonas. The genomes of Nitrosomonas contributed mostly to the size of the pan-genome and core genomes of Nitrosomonadales. COG analysis of gene clusters showed that the J (translation, ribosomal structure and biogenesis) category occupied the biggest proportions (9.7-21.0%) among COG categories in core genomes and its proportion increased in the group which genetic distances among members were high. The unclassified category (-) occupied very high proportions (34-51%) in pan-genomes. Ninety seven gene clusters existed only in Nitrosomonadales and not in reference genomes. The gene clusters contained ammonia monooxygenase (amoA and amoB) and -related genes (amoE and amoD) which were typical genes characterizing the order Nitrosomonadales while they contained significant amount (16-45%) of unclassified genes. Thus, these exclusively-conserved gene clusters might play an important role to reveal genetic specificity of the order Nitrosomonadales.
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문제 정의
본 연구에서는 Nitrosomonas 속, Nitrosospira 속, Nitrosomonadales 목의 범유전체와 핵심유전체를 분석하고 Betaproteobacteria의 다른 목의 유전체들을 참조군으로 하여 그 특성을 알아보고자 한다. 본 연구는 Nitrosomonadales 목의 최초의 범유전체와 핵심유전체 분석 보고라 할 수 있다.
제안 방법
16S rRNA 유전자를 이용한 서열 비교와 공통 유전자 클러스터의 수를 이용한 계통수 분석을 수행하였다(Fig. 2). 두 계통수의 형태는 어느 정도 일치하는 것을 볼 수 있었다.
Nitrosomonadales에 존재하는 유전자 중 중요한 유전자의 특성을 정리하였다(Table 2). Ammonia monooxygenase 유전자는 암모니아를 아질산으로 바꾸는 과정에서 첫 번째로 사용되는 효소로 오페론을 이루고 있다(Arp et al.
PGAP 프로그램(Zhao et al., 2012)을 통하여 COGs (Tatusov et al., 1997)와 관련성이 있는 유전자 클러스터들을 개개의 유전체에만 존재하는 지, 여러 유전체에 존재하는지, 모든 유전체에 존재하는 지에 따라서 특이(specific), 부가(dispensable), 핵심(core) 유전자 클러스터로 나누었다. 핵심유전자 클러스터는 핵심유전체와 관련성이 있으며 핵심, 부가, 특이유전자 클러스터의 합은 범유전체와 관련성이 높기 때문에 핵심유전자 클러스터와 세 유전자 클러스터의 합에서 각각의 COG 범주가 차지하는 비율을 살펴보았다(Fig.
각각 Nitrosomonas 속(Nm)과 Nitrosospira 속(Ns)의 경우에는 범유전체는 7,180개와 4,586개, 핵심유전체는 1,600개와 1,092개의 유전자 클러스터로 각각 이루어져 있다. 비교된 유전체의 증가에 따른 범유전체와 핵심유전체의 크기의 변화를 각각의 집단에 따라 비교하였다(Fig. 1). Ns의 경우에는 범유전체 크기의 증가와 핵심유전체 크기의 감소 속도가 가장 낮은 것을 볼 수 있으며 이는 가장 동질한 유전체를 가지고 있다는 것을 의미한다.
3). 이를 통하여 핵심유전체와 범유전체에서 각각의 기능에 속하는 유전자 클러스터들의 비율을 비교하며, 집단에 따라 어떻게 달라지는지 살펴볼 수 있다.
, 1997)와 관련성이 있는 유전자 클러스터들을 개개의 유전체에만 존재하는 지, 여러 유전체에 존재하는지, 모든 유전체에 존재하는 지에 따라서 특이(specific), 부가(dispensable), 핵심(core) 유전자 클러스터로 나누었다. 핵심유전자 클러스터는 핵심유전체와 관련성이 있으며 핵심, 부가, 특이유전자 클러스터의 합은 범유전체와 관련성이 높기 때문에 핵심유전자 클러스터와 세 유전자 클러스터의 합에서 각각의 COG 범주가 차지하는 비율을 살펴보았다(Fig. 3). 이를 통하여 핵심유전체와 범유전체에서 각각의 기능에 속하는 유전자 클러스터들의 비율을 비교하며, 집단에 따라 어떻게 달라지는지 살펴볼 수 있다.
대상 데이터
거리 행렬(distance matrix) 을 구하기 위하여 Kimura 2 parameter 방법을 이용하였다 (Kimura, 1980). 16S rRNA 유전자를 비교하기 위한 참고서열로는 NC_002696 (Caulobacter crescentus CB15)을 이용하였다. 공통 유전자의 수를 이용한 계통수는 PGAP ver 1.
APG3)이었다. Betaproteobacteria 내의 다른 목에 속하고 Nitrosomonadales와 가장 가까운 균들 중 유전체 서열의 품질이 높고 유전체의 크기가 비슷한 균들의 유전체들로 총 6개를 참조군으로 선정하였다. 참조군의 6개 서열은 GCF_000297055.
Nitrosomonadales 목에 속하는 10개의 유전체 서열과 Betaproteobacteria의 다른 목에 속하는 6개의 서열을 NCBI FTP (ftp://ftp.ncbi.nih.gov/genome/Bacteria)에서 수집하여 범유전체 분석에 사용하였다. 각각의 RefSeq assembly accession number는 GCF_001007935.
단백질의 유전자 약자와 관련된 정보는 EMBL‐EBI (Squizzato et al., 2015), InterPro (Mitchell et al., 2015), UniProt (Apweiler et al., 2004)에서 검색하여 정리하였다.
데이터처리
, 2012). 추가적인 분석은 R‐project (http://www.R‐project.org)와 python(http://www.python.org)을 이용하여 분석하였다.
이론/모형
, 2012). GF (gene family) 방식을 통하여 ortholog clusters를 결정하였으며 프로그램에서 제공하는 기본값(E‐value: 1e‐10, score: 40, identity: 0.5, coverage: 0.5)를 사용하였다(Zhao et al., 2012). 추가적인 분석은 R‐project (http://www.
16S rRNA 유전자는 각각의 유전체에 있는 것을 추출하여 이용하였다. MEGA6 프로그램을 이용하여 neighbor joining tree를 그렸다(Tamura et al., 2013). 거리 행렬(distance matrix) 을 구하기 위하여 Kimura 2 parameter 방법을 이용하였다 (Kimura, 1980).
PGAP (pan‐genomes analysis pipeline) ver 1.12를 사용하여 범유전체 분석을 수행하였다(Zhao et al., 2012). GF (gene family) 방식을 통하여 ortholog clusters를 결정하였으며 프로그램에서 제공하는 기본값(E‐value: 1e‐10, score: 40, identity: 0.
, 2013). 거리 행렬(distance matrix) 을 구하기 위하여 Kimura 2 parameter 방법을 이용하였다 (Kimura, 1980). 16S rRNA 유전자를 비교하기 위한 참고서열로는 NC_002696 (Caulobacter crescentus CB15)을 이용하였다.
16S rRNA 유전자를 비교하기 위한 참고서열로는 NC_002696 (Caulobacter crescentus CB15)을 이용하였다. 공통 유전자의 수를 이용한 계통수는 PGAP ver 1.12를 이용하여 작성하였다(Zhao et al., 2012).
성능/효과
Nitrosomonadales 목(Nd)의 10개의 유전체의 총 27,841개의 유전자의 분석 결과, 범유전체는 9,808개, 핵심유전체는 908개의 유전자 클러스터로 이루어져 있었다(Fig. 1). 각각 Nitrosomonas 속(Nm)과 Nitrosospira 속(Ns)의 경우에는 범유전체는 7,180개와 4,586개, 핵심유전체는 1,600개와 1,092개의 유전자 클러스터로 각각 이루어져 있다.
두 계통수의 형태는 어느 정도 일치하는 것을 볼 수 있었다. Nitrosospira의 경우에는 양 계통수 모두에서 근연관계에 있는 단계통적 분기군(monophyletic clade)을 이루는 것을 볼 수 있었다. Nitrosomonas의 경우에는 Nm.
, 2013). amoA, amoB, amoC, 세 개의 유전자 모두 암모니아 산화세균에 필수적이고 대표적인 유전자로 본 분석에서 Nitrosomonadales 목에만 배타적으로 존재하였다. amoA와 amoB는 모든 Nitrosomonadales 목의 유전체에 존재하나 amoC의 경우에는 Ns.
목 수준에서는 두 계통수가 분기되는 모습이 다른 모습을 보여주고 있으나 16S rRNA 유전자의 계통수의 bootstrap value가 낮은 것을 미루어 보아 계통학적 위치가 확실치 않기 때문일 것으로 사료된다. 공통유전자의 수를 이용한 계통 분석에서도 Ns의 경우에는 매우 가까운 관계에 있으며 Refs의 경우에는 서로 관련성이 떨어지는 집단인 것을 확인할 수 있었다.
APG3의 유전체가 NCBI에 공개되어 있다. 따라서 현재 Nitrosomonas 속 6균주와 Nitrosospira 속 4균주를 합하여 총 10개의 유전체 서열을 이용할 수 있다.
, 2013). 본 연구에서 분석한 모든 암모니아 산화 세균은 독립영양세균으로서 이산화탄소를 고정화하는 주요 효소인 RuBisCo (Ribulose‐ 1,5‐bisphosphate carboxylase oxygenase)의 큰 소단위(large subunit)를 모두 가지고 있으며 참조군에서도 3개의 유전체에서 발견된다. 이는 참조군도 Sulfuricella denitrificans, Sideroxydans lithotrophicus, Methyloversatilis universalis 등과 같은 독립영양세균을 포함하고 있기 때문이다.
, 2007). 본 연구에서도 두 유전자는 모든 Nitrosomonadales 목의 유전체에서 발견되었고 참조군에서는 발견되지 않았다.
후속연구
Marseille와 같이 3–4 Mb의 유전체를 가지고 있는 것뿐만 아니라 7–8 Mb 정도의 더 큰 유전체를 가진 Bukholderia 속의 주요 균들의 분석을 통하여 Betaproteobacteria에 대한 전체적인 범유전체 및 핵심 유전체 분석 연구가 차후에 진행되어야 할 것이다.
, 2015). 본 연구의 범유전체와 핵심유전체 분석을 통하여 이들의 유전적 특성을 좀 더 잘 이해하고 이를 이용하여 질산화 과정에 대한 이해를 더욱 높일 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
암모니아 산화 세균이 자연환경의 질소 순환에서 매우 중요한 이유는 무엇인가?
Nitrosomonadales 목은 Betaproteobacteria에 속해 있으며 암모니아 산화 세균을 포함하고 있는 대표적인 분류군이다. 암모니아 산화 세균은 질산화과정(nitrification)의 첫 번째 단계를 담당하고 있기 때문에 자연환경의 질소 순환에서 매우 중요하다. Nitrosomonadales 목은 분류학적으로 Nitrosomonadaceae과 하나로 이루어져 있으며 이 과는 다시 Nitrosomonas (Nm.
Nitrosomonas와 Nitrosospira의 균주들은 어떤 양식장 환경에서 세균 군집의 일정 부분을 차지하고 있으며 중요한 역할을 하는가?
, 1995). 특히 순환여과양식장(recirculating aquaculture system)과 같은 환경에서 세균 군집의 일정 부분을 차지하고 있으며 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다(Itoi et al., 2006; Foesel et al.
Nitrosomonadales 목은 무엇인가?
Nitrosomonadales 목은 Betaproteobacteria에 속해 있으며 암모니아 산화 세균을 포함하고 있는 대표적인 분류군이다. 암모니아 산화 세균은 질산화과정(nitrification)의 첫 번째 단계를 담당하고 있기 때문에 자연환경의 질소 순환에서 매우 중요하다.
참고문헌 (26)
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