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1000 식물 전장 전사체 프로젝트

(1000 Plant de novo Transcriptomes Project)


 

현재 전 세계적으로 분류된 식물은 370,000종 이상이며 아직 분류가 명확하지 않거나 추가적 식물종들이 존재 할 수 있는 상황에서 완성된 식물 유전체 지도가 10여건에 불과하다. BGI는 이번 “1000 식물 전장 전사체 프로젝트”를 통해 보다 다양한 식물체의 유전정보를 확보하여 식물의 전사체 정보량을 100배 이상 끌어올리는 역할을 진행 중이다. BGI에서는 다양한 유전체 해독 프로젝트를 진행 중이며 식물 이외에 동물들에 대해서는 10,000종의 척추동물에 대한 프로젝트를 진행(추후 리뷰 업로드 예정)중에 있다. 이번 리뷰는 식물종의 전사체 해독에 대하여 소개하고자 한다.


이번 프로젝트의 목표로는 유전체 분석이 되지 않았던 식물 종들의 유전적 다양성을 확보하는 것이며, 식물종들의 보다 정확한 분류로써 진화과정 및 종간 연관성에 대한 연구에 있다. 지금까지의 식물체의 분류는 외형적인 특성을 통한 분류로써 정확하지 않은 분류가 이루어질 수가 있었다. 외형적으로는 비슷한 형태를 가지고 있으나 그 진화계통적 근원이 다른 경우(수렴 진화)가 있으며, 진화계통적 근원이 같으나 매우 다른 형태(분지적 진화)를 띄고 있어 같은 분류군으로써 분류되기 어려운 경우가 있었다. 또한 일부 유전자(rRNA 등)의 비교에 따른 유전적 지도화는 오류가 일어날 가능성이 높았다.
 

유전자의 DNA 정보는 시간이 지남에 따라 아주 천천히 그리고 일부만 변할 뿐 그 기본 유전자 정보를 대부분 생물들은 보존하고 있기에, 각 종간의 관계에 대한 연구가 가능하다. 그러나 이러한 정보가 전체 식물종에 흩어져 존재 하므로 근연종 및 큰 분류군들의 대표종들을 선별하여 상동성 및 종 특이적인 유전자들을 발굴해 내고, 유전적 진화계통의 정도를 비교하며, 공통조상과의 개략적인 진화적계통간 거리를 분자 수준에서 알 수가 있게 되는 것이다.


또한 가장 중요한 목적으로써 산업적, 경제적으로 유용한 종들을 선별하여 그 특성을 파악하고자 함에 있다.
이번 프로젝트에 선별되는 식물 종으로는 임의 종들이 아닌 산업적으로 유용한 산물을 생산하는 개체들을 선별하여 시퀀싱하게된다. 예를 들자면 기름야자나무(oil palm)처럼 유지성분등을 이용해 많은 유용한 산업적 이용이 가능하므로 이와 같은 종들의 시퀀싱을 통한 정보를 더욱 유용하게 사용할 수 있다. 약용으로 쓰이던 식물들도 이와 같이 신약 개발 등 유용물질의 이용뿐만 아니라 이의 합성과정에 대한 연구도 진행가능하기 때문에 매우 적절한 모델이다. 이러한 관점에서 많은 수의 식물샘플을 중의학서적을 바탕으로 선별되었다. 또한 멸종위기에 처한 식물종들의 샘플을 대상으로 하며, 현재프로젝트로 진행중인 식물종의 리스트는 다음의 링크에서 확인할 수 있다.http://www.onekp.com/samples/list.php


본 “1000 식물 전장 전사체 프로젝트”에서는 식물의 전체 유전체가 아닌 전사체를 타겟으로한 게놈시퀀싱방법을 적용하고 있다. 식물은 인간 혹은 다른 동물들이 2배수체의 유전체를 가지고 있는 것과는 달리, 매우 복잡하여 쌀의 경우 4~6배체의 유전체를 가지고 있으며, 이런 현상이 아주 빈번하여 전체 유전체 분석이 매우 어렵고, 이러한 사실을 파악하지 못하고 잘못된 연구계획을 세울 경우 잘못된 데이터를 생성하게 될 수 있다. 따라서 식물체 샘플로부터 mRNA를 모아 이를 cDNA로 역전사 시켜 시퀀싱하고 전사체를 이용한 시퀀싱(transcriptome shotgun sequencing)방법을 이용하는데 흔히 RNA-seq 혹은 whole transcriptome shotgun sequencing(WTSS)라 불린다. BGI는 일루미나사의 Genome Analyzer를 사용하여 3Gb/run(회당 30억 염기쌍)을 분석가능하며, 시퀀싱후 denovo방식을 통해 참조서열 없이도 전장 전사체 서열을 어셈블리한다.


전체 유전체를 시퀀싱하는 작업을 포함하지 않기에, 본 프로젝트의 결과는 mRNA로 발현되지 않는 부위에 해당하는 유전자를 조절하는 부위 및 비코딩 RNA (non-coding RNA), 반복되는 유전자 부위에 대한 정보를 잃어버리게 된다.

BGI는 식물과 동물의 1000게놈프로젝트에 1억 달러의 전체 비용을 예상하고 있다. 캐나다 알바타주농업연구소 및 알바타주립대학 등 에서 400만달러 및 Musea 라는 미국의 투자사에서 50만달러의 자금을 제공받았다. BGI는 현재까지 식물 9종 및 동물 20여종을 시퀀싱 하였고, 기타 다양한 프로젝트를 통해 진행중인 각 종의 시퀀싱진행상태를 홈페이지를 통해 보여주고 있으며 이를 통하여 연구에 참여 할 수 있도록 하고 있다.


BGI에서 완료 및 진행중인 식물 게놈 프로젝트

- 오이 (Cucumis sativus L) : 선도 게놈 완성
- 콩(Glycine max) : 선도 게놈 완성, 5배수 해독
- 쌀(Oryza sativa) : 유전체 재해독완료, 6배수 해독
- 옥수수(Zea mays) : 유전체 재해독완료, 6배수 해독
- 난과식물(Orchid) : 유전체 분석진행중(1종 전체유전체 시퀀싱 + 10종 유전체 재해독 방식)
- 감자(Solanum tuberosum) : 유전체 분석진행중(Potato Genome Sequencing Consortium 참여)
- 배추(Brassica rapa) : 유전체 분석진행중
- 양배추(Brassica oleracea) : 유전체 분석진행중


The Orchid Genome Project

옥수수, 사과 와 콩에 대한 최근발표된 시퀀싱내용 소개를 지난 11월과 12월에 걸쳐 리뷰하였고, 나머지 주요 동 식물 시퀀싱에 대한 정보를 업로드 할 예정이다. 이번에 소개하고자 하는 식물종은 난과 식물에 대한 시퀀싱 내용으로 아직 진행중인 내용이나 주목할 만한 연구내용으로 간략한 소개를 하고자 한다.


BGI는 2009년 7월 20일 5개의 기관과 함께 난과식물의 유전체 해독팀을 꾸렸다. 난과 식물의 하나인 Phalaenopsis equestris(위의 사진)을 전체 유전체 시퀀싱 하였으며 2009년 11월 그 유전체 지도를 완성했다고 발표하였다.

난과식물은 고등 식물종 중 유전체 레벨에서의 진화속도가 매우 빠른 생물종으로써 그 유전체의 크기가 비교적 다양하며 크다고 알려져 있다(600Mb~38,049Mb, 평균 약 7,530Mb이며, 인간은 약 3,000Mb 유전체 사이즈). 식물의 경우 다배수체의 복잡한 형태로 이루어져 시퀀싱이 어렵지만, BGI의 경우 오이 와 팬더 등 기타 종의 시퀀싱이 어렵던 종들의 서열분석을 성공한 바 있어 더욱 난과식물의 시퀀싱 결과에 대한 관심이 높다.


난과식물들은 22,000여 종이 존재 하며 현화식물의 10%에 해당하는 종수이다. 환경변화에 민감하여 퇴화하거나 진화를 통해 매우 다양한 형태의 꽃을 피워 사람들에 의해 꽃을 수집하고 훼손함으로써 많은 야생 난과 식물 들이 멸종의 위기(CITES)에 처해 있다. 이러한 난과식물의 유전체 분석으로써 유전체 지도의 완성은 난과식물들의 종분화를 이해하고 11종의 다양한 특성을 모아 유전적 다양성을 확보하고자 하였다.


본 프로젝트는 BGI에 의해 운영되며, 칭화대학교대학원, 대만의 국립성공대학교, 국립난과보존센터, Institute of Botany of CAS의 5개 기관이 참여하여 식물계의 거대판다버전이라 불리는 난과 식물의 유전체 해독을 시작하였다. Phalaenopsis equestris 종은 선도(de novo) 유전체를 시퀀싱하는 방법을 취하여 완전한 유전체 서열정보를 얻고, 추가적으로 10종의 난과식물에 대하여는 전사체를 이용한 시퀀싱 방법으로 위의 1,000종의 식물 프로젝트에 소개된 바처럼 전체 유전체가 아닌 mRNA를 역전사 시킨 cDNA를 이용한 방법으로 전장 전사체 시퀀싱이 이루어 진다.


참고자료

BGI 1000 Plant Genomes Project
1000 Plants Transcriptomes Sequencing Project

1000 Plant Genomes Project
http://en.wikipedia.org/wiki/1000_Plant_Genomes_Project

The Orchid Genome Project
http://www.genomics.cn/en/research.php?type=show&id=329

A Catalog of Arabidopsis thaliana Genetic Variation
http://1001genomes.org/accessions.html


기사자료

http://www.sourcejuice.com/1275721/2009/11/15/Chinese-scientists-Shenzhen-announced-completion-Orchid-genome-map/


저자

글 : ejyang
편집 : Thkim
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키워드 : 식물, 1000 Plant Genomes, 시퀀싱, 유전적 다양성, 전장 전사체,

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