De novo 분석으로 Anopheles gambiae 유전체 해독

　

   매년 말라리아로 백만 명 이상의 사망자가 발생한다. 뿐만 아니라 지난 1993년 국내에서 말라리아가 유행된 이후 현재까지 약 3만명의 환자가 발생되고 있으며, 최근 여러 연구 결과를 통해 말라리아가 전파되고 있다는 사실이 알려지면서, 질병 퇴치를 위한 말라리아에 대한 연구가 필요한 실정이다. 해외에서뿐만 아니라 국내에서도 말라리아의 위험성이 높아지고 있는 만큼, 말라리아 를 일으키는 원충의 유전체에 대한 해독이 이루어져서, 유전정보로 계통분류가 되면 종 특이성에 따른 치료법이 개발될 수 있을 것이다.

  Anopheles gambiae 종은 특히 말라리아의 독점적인 숙주로 생태 적응과 기생충을 전달하는 능력을 연구하기 위해 유전자를 분석하였다. 다른 모기 종에 비해 Anopheles gambiae 종은 복잡한 염색체 구조를 가졌지만 형제자매 종 이외에 다른 가족과는 고정 염색체가 뒤집히는 등 차이를 보이는 점을 이용하여 연구가 진행되었다. 유전자 조각의 끝부분에 태그와 형광을 달아서 분석하는 방법을 이용하였다.

  미국 버지니아 주립대학 연구진들은 Anopheles gambiae, Aedes aegypti, Culex.quinquefasciatus의 조상을 역추적하여 염색체의 반전부위와 유전자 연결부위를 조사하였다. 본 연구를 통해 말라리아의 감염 경로가 반복적인 염기서열에서 유래했다는 사실을 밝혀냈으며, 염색체를 통한 계통 분류로 전염병의 표현형과 진화 유전체의 변이의 연관성을 확인할 수 있었다.

Anopheles gambiae의 계통 분류

 Anopheles gambiae는 일곱가지 표현형을 가진 아프라카 말라리아 모기로 절지동물과 형태학상으로 유사하지만 번식방법에서 부분적으로 격리되어 있다. 아프리카 말라리아의 주요 숙주로 이용되는 An.arbiensis는 건조한 사바나와 초원에 서식하고 An.merus와 An.melas는 바다에서 서식하며 번식하며, An.quadriannulatus와 An.quadriannulatus B는 민물에서 서식하는 등 다양한 서식지를 가졌다. 또한 섭취하는 피의 선택과 관련된 게놈을 제한하였지만, 조상의 다형성과 유전자 이입에도 불구하고 유전자의 높은 유사성을 보였다. 최근 전체 게놈의 전사체 서열에 기반한 계통 분류가 이루어졌지만, 종간의 높은 유사성으로 불명확하게 남았다.

  고정된 유전자의 뒤집힌 상태의 분포를 분석하여 계통 분류를 했다. 많은 수의 동물의 피를 빨아 먹고, 온대 기후에서 살아남은 An.quadriannulatus A와 B는 가장 가까운 종으로 2La의 뒤집힌 상태가 동일했다. 또 핵형이 가장 복잡한 An.subpictus와 가장 최근 분화를 한 An.merus도 2L9에서 뒤집힌 상태가 동일하게 나타났다. 나머지 An.gambiae, An.merus, An.arabiensis는 2La가 동일하게 나타나 다른 방법으로 계통 분류를 실시하였다.

Anopheles gambiae 게놈 시퀀싱

　

  인도의 야생형 실험실에서 키운 암수 다섯 마리의 모기들의 게놈 DNA를 Blood and Cell Culture DNA Mini Kit (Qiagen Science, Germantown, MD, USA)를 이용하여 분리시켰다. 2kb, 3kb, 5kb로 라이브러리를 일루미나 게놈분석기(Genome Analyzer IIx; GA IIx, Ambry Genetics Corporation (Aliso Viejo, CA, USA))를 이용하여 제작하였다. 36bp씩 유전자 조각의 끝에 표지를 달아 시퀀싱을 166 fold로 진행하였다. 추가적으로 파지(Phage)와 BAC 라이브러리를 스크리닝하여 한번 더 확인하였다. 파지와 BAC 라이브러리 또한 일루미나의 DNA 샘플 준비 키트와 GA IIx로 분석하였다. BLASTN, TBLASTX, BLST2로 분석하고 유전자 조각의 경계면 3bp는 CLUSTAL 2.1을 이용하여 진드기 Aga_m3bp_Ele1로 밝혀냈다.

   크로모좀의 2Ro와 2Rp 위치에서 유전자의 뒤집힌 상태의 차이를 보였다. An.gambiae는 말단2Ro에서 AGAP001759와 AGAP001762 사이에 위치하고, An.merus는 근위 2Ro에서 AGAP002933과 AGAP002935 사이에 위치했다. 또한 근위 2Rp는 AGAP003327과 AGAP003328에서 말단 2Rp는 AGAP001983과 AGAP001984 사이에서 번역되었다. 직계가 아닌 다른 그룹의 종과 유전자 배열을 비교하기 위해 염색체의 뒤집힌 상태를 확인하였다. 매핑 쌍을 찾는 BLASTN 분석을 통해 2Ro, 2La, 2Rp위치를 확인하였고, 게놈 위치를 확인하기 위해 Bowtie를 이용하여 뒤집힌 상태의 위치를 수정하였다.

  VectorBase에서 제공한 gambiae AgamP3, AgamM1, AgamS1으로 어셈블리하고 근위 및 말단의 뒤집힌 부위를 염색체 지도와 비교하여 조립하였다.

  물리적 염색체 매핑 및 생물정보학 분석에서 같은 조상임을 나타내는 여러 다른 그룹 종에서 2Ro와 2Rp의 위치를 확인하였고, 여러 게놈의 재조립을 통해 X염색체 배열의 차이를 확인하여 계통간의 거리를 확인 할 수 있었다. 염색체를 이용한 계통 분류는 진화 역사를 반영한다. 오랜 시간An.quadriannulatus가 조상으로 간주되었으나, 이번 연구를 통해 An.arbiensis의 유전자 이입을 통해서 An.gambiae로 진화된 결과를 알 수 있었다.

맺음말

　

   세포의 유전적 분석과 계통 분류적 분석으로 확인된 세 부위(2Ro, 2Rp, 2La)로 계통분류 부위를 결정지었다. 종간의 식별을 위한 염색체 관계에 대한 연구가 최근 급속히 증가하고 새로운 염색체를 통한 계통 분류가 전염병학의 중요한 진화에 대한 가설을 제안하기 위한 정보를 제공한다. 생태 및 행동에 적응 하는 방법과 절지동물인 병원체의 숙주와 관련된 진화 변화가 과거를 토대로 유사한 변화가 미래에 발생할 가능성에 대해 예측할 수 있을 것이다. 또한 예측된 결과를 통해 전염병 예방을 위한 치료제로 이용될 수도 있을 것이다.

  이런 연구가 가능한 것은 유전체 해독의 발달과 기술의 발전으로, 예전에는 밝혀내지 못했던 것들까지도 발견되고 있기 때문이다. 염색체의 부분적인 반전현상이 비단 모기에서만 일어나는 것이 아닐 것이므로 여러 종에 대한 조사가 다각도로 이루어져야 할 것이다. 현재는 말라리아에 대처하는 방법이 항 말라리아제라는 예방 뿐이지만 많은 정보가 모이면 말라리아를 치료하는 백신이 출시되는 일도 기대할 수 있을 것이다.

참고자료

A New Chromosomal Phylogeny Supports the Repeated Origin of Vectorial Capacity in Malaria Mosquitoes of the Anopheles gambiae Complex

http://www.plospathogens.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.ppat.1002960

VectorBase: improvements to a bioinformatics resource for invertebrate vector genomics.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22135296

Evolution of Anopheles gambiae in relation to humans and malaria. http://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-ecolsys-102710-145028?journalCode=ecolsys

저자

글 : hjpark

편집 : Thkim

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키워드 :  Anopheles gambiae, 말라리아, 모기, De novo, 유전체해독, Genome Analyzer IIx, 계통분류, 전염병학 등