[논문]동일한 속 원핵생물들의 보존 유전자와 대사경로

이동근; 이상현

doi:10.5352/jls.2019.29.1.123

동일한 속 원핵생물들의 보존 유전자와 대사경로
Conserved Genes and Metabolic Pathways in Prokaryotes of the Same Genus 원문보기

생명과학회지 = Journal of life science, v.29 no.1 = no.225, 2019년, pp.123 - 128

이동근 (신라대학교 바이오산업학부 제약공학전공) , 이상현 (신라대학교 바이오산업학부 제약공학전공)

초록
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원핵생물 분류의 기본단위인 종(species)의 동정에 16S rDNA가 사용되지만 한계가 있고 원핵생물의 속(genus)에 대한 연구가 많지 않다. 본 연구에서는 보존 유전자를 확보한 COG database와 대사경로를 확보한 MetaCyc database에 공통적인 원핵생물 중 속이 같고 종이 다른 13개 속 28개의 원핵생물을 대상으로 속 수준에서 연구하였다. 전체 유전자에서 core-genome인 속 보존 유전자의 비율은 최저 27.62%(Nostoc 속)에서 71.76%(Spiribacter 속)의 범위로 평균 46.72%였다. 각 원핵생물에서 core-genome의 비율이 낮으면 특이한 생명현상을 보이거나 서식지가 다양할 수 있을 것이다. 속 수준의 공통 대사경로의 비율은 최저 58.79%(Clostridium 속)에서 최대 96.31%(Mycoplasma 속), 평균 75.86%로 core-genome의 비율보다 높았다. 비교대상을 확장하면 속 특이 보존 유전자와 대사경로는 확인할 수 없었다. 보존 유전자와 대사경로 보유 계통수에서는 대체로 같은 속의 구성원들이 가장 인접하였으며, Bacillus속과 Clostridium 속이 그룹을 형성하였고, 고세균끼리 그룹을 형성하였다. 보존 유전자 보유계통수에서는 Acidobacteria, Cyanobacteria, Proteobacteria 문(phylum)의 Granulicella, Nostoc, Bradyrhizobium의 3개 속이 하나의 그룹을 형성하였다. 본 연구 결과는 (i) 각 계통 단계에서 보존유전자와 대사경로의 확인, (ii) 수평적 유전자 전달 또는 부위 지정 돌연변이를 통한 균주의 개선 등의 분야에 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The use of 16S rDNA is commonplace in the determination of prokaryotic species. However, it has limitations, and there are few studies at the genus level. We investigated conserved genes and metabolic pathways at the genus level in 28 strains of 13 genera of prokaryotes using the COG database (conserved genes) and MetaCyc database (metabolic pathways). Conserved genes compared to total genes (core genome) at the genus level ranged from 27.62%(Nostoc genus) to 71.76%(Spiribacter genus), with an average of 46.72%. The lower ratio of core genome meant the higher ratio of peculiar genes of a prokaryote, namely specific biological activities or the habitat may be varied. The ratio of common metabolic pathways at the genus level was higher than the ratio of core genomes, from 58.79% (Clostridium genus) to 96.31%(Mycoplasma genus), with an average of 75.86%. When compared among other genera, members of the same genus were positioned in the closest nodes to each other. Interestingly, Bacillus and Clostridium genera were positioned in closer nodes than those of the other genera. Archaebacterial genera were grouped together in the ortholog and metabolic pathway nodes in a phylogenetic tree. The genera Granulicella, Nostoc, and Bradyrhizobium of the Acidobacteria, Cyanobacteria, and Proteobacteria phyla, respectively, were grouped in an ortholog content tree. The results of this study can be used for (i) the identification of common genes and metabolic pathways at each phylogenetic level and (ii) the improvement of strains through horizontal gene transfer or site-directed mutagenesis.

주제어

표/그림 (4)

표 Table 1. Studied prokaryotes and their numbers (#) and percentage (%) of total genes, conservative genes (orthologs) and metabolic pathways at each prokaryote and genus
그림 Fig. 1. ML(Maximum Likelihood) phylogenetic tree of 28 procaryotes in the point of presence or absence of the union of 4,631 COGs. Bootstrap values at each node are expressed as a percentage of 1,000 trials. See table 1 for abbreviations of prokaryotes
그림 Fig. 2. ML (Maximum Likelihood) phylogenetic tree of 28 procaryotes in the point of presence or absence of the union of 2,526 metabolic pathways. Bootstrap values at each node are expressed as a percentage of 1,000 trials. See Table 1 for abbreviations of prokaryotes.
그림 Fig. 3. ML (Maximum Likelihood) phylogenetic tree of 28 procaryotes in the point of 16S rRNA genes. Bootstrap values at each node are expressed as a percentage of 1,000 trials. See Table 1 for abbreviations of prokaryotes.

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 게놈분석이 완료된 13개 속의 28개 원핵생물의 보존적 유전자와 대사경로를 속 수준에서 비교하고자 하였다.

제안 방법

‘속 수준에서 공통 및 특이한 보존 유전자’를 파악하기 위해 MS사의 엑셀 프로그램(ver. 10)으로 분석대상 각 원핵생물이 전체 4,631개의 각각의 COG를 보유하고 있는지를 행렬로 작성하였다[10].
각 속의 원핵생물들에 공통인 COG를 통해 공통 보존 유전자를 탐색하였고, 각 속 보존 유전자들을 비교하여 속 특이 유전자의 파악을 시도하였다.
분석대상 원핵생물들의 16S rRNA 유전자 염기서열을 GenBank 나 rdp II (https://rdp.cme.msu.edu/)에서 구한 후 Mega 프로그램으로 계통수를 구하였다(bootstrap method, n=1,000).
MetaCyc database 에서[3] 확보한 자료들로 분석대상 원핵생물들의 대사경로를 비교하였다.
같은 속인 구성원들의 공통 유전자들을 core-genome으로, 하나의 게놈에서 core-genome 이외의 유전자들을 shell-ge- nome으로 나누었는데[5, 15], 본 연구에서는 속에 공통적인 orthologs를 core-genome으로 간주하였다.

대상 데이터

보존유전자와 대사경로 파악을 위해 COG database [4]와 MetaCyc database [3]에 공통적인 원핵생물 중에서 속이 같고 종이 다른 28개 원핵생물을 선택하였다.

이론/모형

보존 유전자(ortholog) 및 대사경로(metabolic pathway) 보유 계통수는 행렬로 작성된 분석대상 원핵생물들의 COG 및 대사경로 자료들을 Mega 프로그램(ver. 7)의 phylogeny anal- ysis를 이용하여 NJ (neighbor joining), ML (maximum like- lihood), UPGMA (unweighted pair group method with arithmetic mean), ME (minimum evolution), MP (maximum parsimony) 방법으로 Presence-Absence phylogenetic tree를 작성하면서 bootstrap method (n=1,000)를 적용하였다[11].

성능/효과

Mycobacte- rium 속 특이 대사경로로 추정되는 mycolate 생합성 경로가 Mycobacterium 속과 Actinobacteria 문(phylum)의 Amycolici- coccus subflavus DQS3-9A1에서 발견되고, dimycocerosyl phthiocerol 생합성 경로는 Mycobacteriaceae와 Nocardiaceae 과(family)에도 존재하는 등 속 특이적 대사경로는 없었다.
Mycoplasma 속 특이 보존 유전자인 COG1428은 deoxyad- enosine/deoxycytidine kinase로 COG database의 원핵생물 142개에서 발견되었고, Bradyrhizobium 속의 보존 유전자 287개 모두는 COG database 전체에서는 3개 이상의 속에 존재하였다.
각 원핵생물의 전체 유전자수 대비 보존 유전자의 비율(Table 1의 B/A)은 최저 Nostoc punctiforme PCC 73102의25.32%에서 최대 Spiribacter salinus M19-40의 73.79% 범위였 다.
대사경로 보유 계통수가 보존 유전자 보유 계통수와 대체로 일치하는 것은 첫째, 넷째, 다섯째이고 차이를 보이는 것은 둘째였고 넷째는 계통수의 종류에 따라 일치하거나 차이를 보였다.
둘째, Granulicella 속 과 Nostoc 속의 구성원들은 항상 인접하지 않았고, Granulicella 속의 Acimp5와 Nostoc 속의 Nos712가 인접하였고 여기에 Nostoc 속의 Nospun이 결합하였다.
원핵생물마다 유전자 개수가 달라 각 원핵생물구성원의 보존유전자와 속 공통 보존 유전자의 비율로 비교하면(Table 1의 D/B) 최소는 Myco- bacterium tuberculosis H37Rv의 61.41%, 최대는 Mycoplasma genitalium G37의 98.37%로 평균 86.35%였다.
첫째, Granulicella (Fig. 2의 Acimp5, Gramal) 속과 Nostoc (Nos712, Nospun) 속을 제외한 모든 속의 구성원들은 가장 인접하였다.
13개 속에서 Bacillus 속 특이 보존 유전자로 확인된 53개도 COG database의 원핵생물 711개와 비교하니, 원핵생물 20~223개와 공통이어서 Bacillus 속 특이 보존 유전자는 없었다[자료 미제시].
각 속과 각 원핵생물의 공통 대사경로와 개별 대사경로의 개수로 비율(Table 1의 E/C)을 구하고 평균을 계산한, 속 수준 의 공통 대사경로 비율은 Clostridium 속의 최저 58.79%에서 Mycoplasma 속의 최대 96.31%로 평균 75.86%였다.
각 속의 구성원들만 나타내는 속 특이 대사경로의 개수는 최소 2개(Mycoplasma 속과 Wolbachia 속)에서 최대 37개 (Nostoc 속)였다(Table 1).
각 원핵생물과 속 수준의 공통 보존 유전자의 비율(Table 1의 D/B)을 평균한 속 수준의 범위는, Bacillus 속의 최저 73.76 %에서 Wolbachia 속의 최대 94.91%였다.
보존 유전자인 ortholog는 3종류 이상의 생물에 존재하는데, 본 연구에서는 Bacillus 속을 제외하고는 모든 속의 구성원 이 2개라서 하나의 속에서만 특이한 보존 유전자를 구하기는 어려웠다.
연구대상인 13개 속 범위에서 특정 속에만 존재하는 속 특이 보존 유전자의 개수는 Mycoplasma 속의 최소 1개에서 Bradyrhizobium 속의 최대 287개로 평균 74.6개였다(Table 1).

후속연구

본 연구의 결과는 원핵생물의 환경에 대한 적응[5], 원핵생물 사이의 신호 및 유전자 전달[5], 오염된 환경의 정화, 수평적 유전자 전달[12]이나 부위특이적 돌연변이를 통한 균주 개량[9]으로 생리활성 물질이나 항생물질을 대량생산하는 분야 등에서 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	종은 무엇인가?	종(species)은 분류의 기본 단위이며 새롭게 발견된 생물의 분류학적 위치 파악과 식의약 등의 분야에서 미생물을 GRAS (generally regarded as safe)로 인정할 때 사용된다. 원핵생물은 대개 무성생식을 하며 이분법으로 증식하므로, 종의 판단에 생식독립성이 아닌 다른 기준이 필요하다[13].
	보존적인 16S rDNA 염기서열을 통한 원핵생물의 분류에 의문이 제기된 이유는 무엇인가?	염기서열분석 기술의 발달로 모든 원핵생물에 보존적인 16S rDNA 염기서열을 이용한 분류가 일반화되어 97% 이상의 유사도가 같은 종의 기준이 되었다[13]. 하지만 16S rDNA는 원핵 생물의 게놈 하나에 1~15개가 분포하며 같은 게놈에서도 6.4%의 차이도 있고[14], 16S rRNA 유전자도 다른 종의 원핵 생물로 수평전달되는 사례도 있어[1] 분류에서 16S rDNA의 절대성에 의문이 제기되었다. 이에 게놈에 1개 분포하면서 원핵생물들에 보존적인 GroEL chaperonin, rpoB, gyrB, dnaK 유전자 등이 대안으로 사용되고 있고, 하나의 유전자가 게놈 전체를 대표할 수 없다는 생각에 여러 보존적 유전자들을 활용하는 MLSA (multi-locus sequence analysis) 방법과 DNA- DNA hybridization 혹은 전체 게놈염기서열을 비교하여 70% 이상의 유사도를 나타내면 같은 종으로 인정하자는 제안이 있었다[13].
	원핵생물은 대개 어떤 생식을 통해 증식하는가?	종(species)은 분류의 기본 단위이며 새롭게 발견된 생물의 분류학적 위치 파악과 식의약 등의 분야에서 미생물을 GRAS (generally regarded as safe)로 인정할 때 사용된다. 원핵생물은 대개 무성생식을 하며 이분법으로 증식하므로, 종의 판단에 생식독립성이 아닌 다른 기준이 필요하다[13]. 전통적으로 원핵세포의 분류에는 세포모양과 크기, 편모 등의 형태학적 특성과 생화학적 시험이 사용되었다.

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