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[국내논문] Mycoplasma genitalium 보다 보존적 유전자 수가 작은 원핵생물들의 대사경로 비교
Comparison of Metabolic Pathways of Less Orthologous Prokaryotes than Mycoplasma genitalium 원문보기

생명과학회지 = Journal of life science, v.28 no.3 = no.215, 2018년, pp.369 - 375  

이동근 (신라대학교 의생명과학대학 바이오산업학부 제약공학전공)

초록
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Mycoplasma genitalium은 367개의 보존적 유전자를 가지고 있으며 단독배양이 가능한 원핵생물 중 게놈크기가 최소이다. 본 연구에서는 M. genitalium과 M. genitalium보다 보존적 유전자 수가 적은 14개 원핵생물 즉 세포외 공생을 하는 초고온성 고세균 Nanoarchaeum equitans, 식물 세포 내부 기생성 진정세균 혹은 곤충 세포 내부 공생성 진정세균 13종 등의 원핵생물에 보존적인 대사경로를 검토하였다. 이들은 11~71개의 대사경로를 가졌지만 완전한 대사경로는 1~24개였다. 전체 대사경로에 필요한 효소의 45.8%가 결핍되어 대사경로 구멍(metabolic pathway hole)이 매우 많아, 숙주의 효소와 함께 공유대사경로(shared metabolic pathway)를 나타내거나 필수물질의 상당 부분이 숙주에 의존적일 것으로 사료되었다. 세포막을 통한 물질이동에 필요한 유전자의 개수도 아주 적어 단순확산 내지 숙주의 단백질이 이들의 세포막에서 물질이동의 기능을 할 것으로 사료되었다. tRNA charging 경로만이 15개의 분석 대상 원핵생물 모두에 분포하였지만, 분석 대상 원핵생물들은 각각 5~20개의 tRNA charging 유전자를 보유하였다. 본 연구 결과는 배양 불가능한 식물 세포 내 기생성 그리고 곤충 세포 내 공생성 원핵생물들의 대사경로 이해에 대한 단서와 함께 농작물 피해 방지와 해충구제, 의약품 개발 등에 사용할 기초자료를 제공할 수 있을 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Mycoplasma genitalium has 367 conserved genes and the smallest genome among mono-culturable prokaryotes. Conservative metabolic pathways were examined among M. genitalium and 14 prokaryotes, one hyperthermophilic exosymbiotic archaeon Nanoarchaeum equitans and 13 intracellular eubacteria of plants o...

Keyword

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문제 정의

  • 생명현상에는 물질 이동과 대사경로가 필수적이므로 본 연구에서는 게놈 서열이 파악된 원핵생물 중에서 M. genitalium 보다 작은 수의 보존적 유전자를 가진 14종 원핵생물과 M. genitalium이 가지는 대사경로를 파악하고 물질이동 관련 단백질도 상호 비교하여 이들이 보이는 생명현상과의 관계를 토의 하고자 하였다.

가설 설정

  • 대사경로를 분석 대상 균주들과 대장균이나 고초균과 비교한 특징은 첫째 전술한 것과 같이 대사경로의 수가 작다는 것이었다. 둘째는 전체 대사경로에 필요한 효소 개수에서 부족한 효소개수로 구한 대사경로 구멍의 비율이 높다는 것이다. 대장균과 고초균은 각각 3과 19%였고, 분석 대상 15종은 전체 대사경로의 45.
  • 실제 분석 대상 15종의 세균 중 Nanequ를 제외하면 모두 세포 내 공생체 혹은 세포 내병원체이다. 즉 그들 세포의 바깥은 다른 세포의 내부로, 물리 화학적 환경이 비교적 일정할 것이다. 그리고 외부 공생체인 Nanequ도 초고온성 고세균으로 비교적 서식환경이 일정하다고 할 수 있을 것이다.
  • 이는 미토콘드리아와 세포질 사이에 교환되는 물질이 각 생물에 따라 다를 수 있거나, 미토콘드리아의 물질운반 관련 유전자가 핵에 존재할 수 있다는 것이다. 본 연구의 분석 대상 원핵생물들도 공생체와 병원체 등 숙주와의 관계에 따라 그리고 각 생물의 대사 상태에 따라 교환하거나 흡수하는 물질의 종류가 다를 것이다. 한편 Zimorski 등은 세포 내공생체에서 숙주의 핵으로 endosymbiotic gene transfer가 일어난 후 세포 내 공생체의 단백질 수송체계가 핵 유래 유전자에 의존하면 공생체가 세포 소기관화된다고 보고하였다[22].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
COG은 무엇인가? 한편 게놈의 염기서열 분석과 유전자 파악이 완료된 생물 종들의 유전자를 생물정보학적 방법으로 상호 비교하여 3가지 이상의 생물 종에 보존적인 유전자들에서 유래한 단백질들을 COG (Clusters of Orthologous Group of proteins)라고 한다[5]. 2015년 현재 653개의 원핵생물에 관한 COG들이 보고되 었다[5].
생물 정보학의 연구 영역은 무엇인가? 유전자나 단백질의 서열 등 방대한 양의 생물관련 정보들이 보고되면서 생물정보학(bioinformatics)이 태동되었다. 생물 정보학은 생물학, 컴퓨터 과학, 통계학, 수학적 방법론 등이 결합하여 주로 분자 수준에서 생물학을 다루는 학문으로 연구 영역은 서열정렬, 유전자 검색, 유전자 조합, 단백질 구조 정렬, 단백질 구조 예측, 유전자발현의 예측, 단백질간 상호작용, 진화모델 등 다양하다[9].
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참고문헌 (22)

  1. Berasategui, A., Shukla, S., Salem, H. and Kaltenpoth, M. 2016. Potential applications of insect symbionts in biotechnology. Appl. Microbiol. Biotechnol. 100, 1567-1577. 

  2. Burger, G., Gray, M. W., Forget, L. and Lang, B. F. 2013. Strikingly bacteria-like and gene-rich mitochondrial genomes throughout jakobid protists. Genome Biol. Evol. 5, 418-438. 

  3. Caspi, R., Altman, T., Dreher, K., Fulcher, C. A., Subhraveti, P., Keseler, I., Kothari, A., Krummenacker, M., Latendresse, M., Mueller, L. A., Ong, Q., Paley, S., Pujar, A., Shearer, A. G., Travers, M., Weerasinghe, D., Zhang, P. and Karp, P. D. 2012. The MetaCyc database of metabolic pathways and enzymes and the BioCyc collection of pathway/genome databases. Nuc. Acids Res. 40, D742-D753. 

  4. Firrao, G., Gibb, K. and Streten, C. 2005. Short taxonomic guide to the genus 'Candidatus Phytoplasma'. J. Plant Pathol. 87, 249-263. 

  5. Galperin, M. Y., Makarova, K. S., Wolf, Y. I. and Koonin, E. V. 2015. Expanded microbial genome coverage and improved protein family annotation in the COG database. Nucleic Acids Res. 43, D261-D269. 

  6. Ghai, R., Mizuno, C. M., Picazo, A., Camacho, A. and Rodriguez- Valera, F. 2013. Metagenomics uncovers a new group of low GC and ultra-small marine actinobacteria. Sci. Rep. 3, 2471. 

  7. Glockner, G., Rosenthal, A. and Valentin, K. 2000. The structure and gene repertoire of an ancient red algal plastid genome. J. Mol. Evol. 51, 382-390. 

  8. Han, K., Li, Z. F., Peng, R., Zhu, L. P., Zhou, T., Wang, L. G., Li, S. G., Zhang, X. B., Hu, W., Wu, Z. H., Qin, N. and Li, Y. Z. 2013. Extraordinary expansion of a Sorangium cellulosum genome from an alkaline milieu. Sci. Rep. 3, 2101. 

  9. https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%83%9D%EB%AC% BC%EC%A0%95%EB%B3%B4%ED%95%99. 

  10. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK6033/?report reader. 

  11. Jimenez, E., Langa, S., Martin, V., Arroyo, R., Martin, R., Fernandez, L. and Rodriguez, J. M. 2010. Complete genome sequence of Lactobacillus fermentum CECT 5716, a probiotic strain isolated from human milk. J. Bacteriol. 192, 4800. 

  12. Kanehisa, M., Goto, S., Furumichi, M., Tanabe, M. and Hirakawa, M. 2010. KEGG for representation and analysis of molecular networks involving diseases and drugs. Nucleic Acids Res. 38, D355-D360. 

  13. Kelkar, Y. D. and Ochman, H. 2013. Genome reduction promotes increase in protein functional complexity in bacteria. Genetics 193, 303-307. 

  14. Lee, D. G. 2014. Comparison of mitochondria-related conserved genes in eukaryotes and prokaryotes. J. Life Sci. 24, 791-797. 

  15. Lee, D. G. 2017. Conservative genes of less orthologous prokaryotes. J. Life Sci. 27, 694-701. 

  16. Martinez-Cano, D. J., Reyes-Prieto, M., Martinez-Romero, E., Partida-Martinez, L. P., Latorre, A., Moya, A. and Delaye, L. 2015. Evolution of small prokaryotic genomes. Front Microbiol. 5, 742. 

  17. McCutcheon, J. P. and Moran, N. A. 2010. Functional convergence in reduced genomes of bacterial symbionts spanning 200 million years of evolution. Genome Biol. Evol. 2, 708-718. 

  18. Nilsson, A. I., Koskiniemi, S., Eriksson, S., Kugelberg, E., Hinton, J. C. and Andersson, D. I. 2005. Bacterial genome size reduction by experimental evolution. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 102, 12112-12116. 

  19. Oakeson, K. F., Gil, R., Clayton, A. L., Dunn, D. M., von Niederhausern, A. C., Hamil, C., Aoyagi, A., Duval, B., Baca, A., Silva, F. J., Vallier, A., Jackson, D. G., Latorre, A., Weiss, R. B., Heddi, A., Moya, A. and Dale, C. 2014. Genome degeneration and adaptation in a nascent stage of symbiosis. Genome Biol. Evol. 6, 76-93. 

  20. Russell, C. W., Bouvaine, S., Newell, P. D. and Douglas, A. E. 2013. Shared metabolic pathways in a coevolved insect- bacterial symbiosis. Appl. Environ. Microbiol. 79, 6117-6123. 

  21. Williams, K. P., Sobral, B. W. and Dickerman, A. W. 2007. A robust species tree for the alphaproteobacteria. J. Bacteriol. 189, 4578-4586. 

  22. Zimorski, V., Ku, C., Martin, W. F. and Gould, S. B. 2014. Endosymbiotic theory for organelle origins. Curr. Opin. Microbiol. 22, 38-48. 

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