[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

전사 인자(TF)는 조절 대상 유전자의 직간접적 활성화 또는 억제를 통해 유전자 발현을 조절한다. 많은 글로벌 TF는 고도로 보존되어 있으며 박테리아에서 생리학적 역할을 정의하여 변화하는 환경에 적응할 수 있도록 한다. 특히 철분은 많은 효소의 중요한 보조인자이며 철분 항상성은 주요 조절 우선순위로 뽑힌다. 세균의 주요 전사인자 중 하나인 Ferric uptake regulator(Fur)는 철의 항상성을 유지하는데 사용된다. 이전 연구에서 대장균 K-12 MG1655균주의 Fur의 유전체 차원의 결합 부위를 조사하고 그 기능을 밝혔지만 이들의 보존 및 다양성에 대한 정도는 알려져 있지 않다.

2. 연구내용

모델 균주 중 하나인 대장균에서 다양한 계통 발생 그룹을 아우르는 산업(비병원성) 및 병원성 균주를 포함해 총 9개가 선정되었다. 가장 먼저 균주 특이적 Fur 레귤론을 재구성하기 위해 유전체 수준 결합 위치 동정(염색질 면역 침전, ChIP-exo)과 차동 유전자 발현(야생형과 Fur 유전자 제거 균주 사이의 전사체 분석)을 결합한 Fur의 레귤론 분석을 수행하였다. 추가적으로 유전적 다양성에 대한 유전체 분석 방법인 Pan-genome의 개념을 레귤론에 적용하여 대상 생물 집단에서 발견되는 레귤론들의 집합을 재구성함으로써 Pan-regulon의 개념을 최초로 정의하였다.이 팬-레귤론은 핵심 레귤론 (전 균주에서 발견된 36개 대상 유전자), 액세서리 레귤론 (2~8 균주에서 발견된 158개 대상 유전자) 및 고유 레귤론 (단일 균주에서만 발견된 275개 대상 유전자)로 나뉘어진다. 이는 9가지 균주 전부에서 Fur로 조절되는 일부 대상 유전자가 공통적으로 존재하지만, 특정 균주에서만 나타나는 조절 대상 유전자가 상당히 많다는 것을 의미한다.

3. 기대효과

최초로 정의된 팬-레귤론이라는 개념과 함께, 다양한 대장균 균주 간의 전사 조절의 유전적 다양성을 보여준다. 이 다양성은 각각의 균주들의 다양한 군집 분류 및 역사를 반영하고 있으며 대장균 균주에서 전사 조절의 이해를 한 단계 높여주는 의미있는 결과를 도출했다. 또한 이러한 다양성은 균주별로 추가 설명이 필요한 균주 간의 생리학적 차이를 초래할 수 있다. 균주 특이적 특성에 대한 이러한 결과는 병원성 균주에서 특히 중요할 것인데, 이러한 차이가 독성 및 병리학에 영향을 미칠 수 있으며 특정 균주에 대한 특화된 치료 방식의 개발로 이어질 수 있기 때문이다.

[붙임] 용어설명

1. 레귤론 (regulon)

동일한 조절 유전자에 의해서 그 발현이 제어되는 오페론의 총체

2. 염색질 면역 침전 (Chromatin immunoprecipitation, ChIP)

DNA-단백질의 결합 상태를 보기 위한 실험 방법으로, 특정 단백질에 의해 회수된 DNA 조각들의 위치를 파악함으로써 해당 단백질이 유전체의 어느 부위에 결합하였는지를 확인할 수 있음

3. 전사체 분석 (RNA-seq)

특정 샘플에서 발현되는 RNA 서열을 시퀀싱하여 어떤 유전자가 어느정도 발현되었는지 등 전사체 전체에 대한 다양한 정보를 한 번에 확인할 수 있는 실험 및 분석 방법

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

그림1. Fur pan-regulon 연구의 개요도

균주 특이적 Fur 레귤론을 재구성하기 위해 유전체 수준 결합 위치 동정(염색질 면역 침전, ChIP-exo)과 차동 유전자 발현(야생형과 Fur 유전자 제거 균주 사이의 전사체 분석)을 결합한 Fur의 레귤론 분석을 수행하였으며 여러 균주들의 데이터를 통합적으로 분석함으로써 총 9개의 대장균 균주에서 나타나는 보존 및 다양성을 확인함.

그림2. 대장균 K-12 MG1655 균주를 기반으로 확인한 Fur regulon 특성 분석

(A) 이전 보고된 데이터와의 비교

(B) iModulon에서 발견한 Fur-1,2 데이터셋

(C) PRECISE 1K를 기반으로 한 Fur iModulon의 activity 상관 관계

(D) 추가적인 8종의 대장균 균주에서 나타나는 MG1655 Fur 대상 유전자의 유사성 비교

그림3. Fur 결합 피크의 특성 분석

(A) 철이 풍부한 조건에서 나타난 9가지 균주에서의 Fur 결합 모티프

(B) 유전자 내 및 유전자간 영역에서 나타난 결합 피크의 갯수와 비율

(C) 대장균 K-12 MG1655에서 나타난 feoABC 오페론 앞쪽의 결합 부위 예시

(D) 철이 풍부하거나 고갈된 조건에서 나타난 피크 결합 강도의 분포

그림4. Fur pan-regulon 연구의 워크플로우 및 결합 위치 관련 데이터 분석 결과

(A) 균주 특이적 Fur 레귤론을 재구성하기 위해 유전체 수준 결합 위치 동정(염색질 면역 침전, ChIP-exo)과 차동 유전자 발현(야생형과 Fur 유전자 제거 균주 사이의 전사체 분석)을 결합한 Fur의 레귤론 분석을 수행. 이후 이들을 통합한 Pan-regulon 분석을 진행

(B) 9개 균주에서 나타난 Fur의 결합 부위의 수와 Fur에 의해 직접 조절되는 차등 발현 유전자의 수, 균주 전체에서 나타난 차등 발현 유전자 수의 평균값

(C),(D) 9개 균주에서 나타난 결합 피크의 관계 분석

그림5. Fur pan-regulon의 구성

(A) 9개의 대장균에서 공유하는 regulon들의 구성을 보여주는 UpSet plot

(B) 9개 균주 모두에서 발견되는 fur 대상 유전자의 기능

(C) 핵심, 액세서리 및 고유 레귤론의 구성을 보여주는 벤 다이어그램

그림6. Fur pan-regulon의 기능적 분석

(A) 핵심, 액세서리 및 고유 레귤론의 유전자 기능적 특성 분석

(B) Fur pan-regulon에서 확인된 독성 인자의 분포

(C) 9개 대장균 균주에서의 Fur 결실에 대한 생리학적 변화