Adaptive genomic evolution for expression regulation and survival strategies in vertebrates and bacteria

Abstract

Since the genomic sequence began to be produced in large quantities, research and efforts have been made to explain the evidence of adaptive evolution in the genomic sequence. Through RNA-seq, which identifies where transcript is located on the genome from gene expression data, it is possible to study the dosage compensation, which refers to the inactivation or upregulation of a specific sex chromosomal genes due to differences in composition of the sex chromosome. When looking at the sex chromosome dosage compensation observed in mammals, gene expression shows in slightly different profiles through dosage compensation in the X chromosome by tissues. And genes that are functionally associated with other proteins and require a uniform rate of expression between associated genes, may maintain a similar amount of expression in the X chromosome to autosomes. There are also XCI escape genes in the pseudo-autosomal region that exist both in the X and Y chromosome, as autosomal genes, so that they do not differ from autosomal genes to the amount of expression. In Chapter 2 we examined and compared the aspects of sex chromosome dosage compensation in both male and female, which had been reported in humans and other species, appeared in cows using genome sequence information and gene expression data. In addition, the non-synonymous substitution of the protein-coding genes in the genome has a significant effect on the phenotype of the organism, so it is analyzed relative to the rate at which the synonymous (silent) substitution occurred, and the ratio means a selective pressure on the gene leading to functional change. The dN/dS ratio method, a method that explains directional evolution, neutral evolution, and purifying evolution of protein-coding genes, has been proposed and widely used. In Chapter 3 we analyzed dN/dS ratio using protein-coding genes of pufferfish that have 1:1 orthologous relationship with other fish genes, which has not yet been sufficiently studied in the evolutionary viewpoint. Based on the results, the positive selection of genes was discussed with the control mechanisms of neurotoxins called tetrodotoxin, which are the unique phenotypes of pufferfish. In addition, the result showed the accelerated evolution of protein-coding genes in pufferfish after species differentiation through the high dN/dS ratio distribution of the genes. Meanwhile, in the bacterial genome, there is a set of genes that are expressed simultaneously, called an operon. The three ribosomal RNAs of bacteria also comprise an operon like other functionally related genes generally. Based on the complete bacterial genomes and their symbiotic genomic characteristics, Chapter 4 demonstrated that ecological adaptation of certain symbiotic bacteria may result to the disruption of ribosomal RNA operon with the reduction of metabolic and transcription-regulating genes and certain RNases. The result suggested that not only copy number variation of rRNA operon sensitively responds to the bacterial lifestyle, but also structural modification can strongly reflect adaptation to the surrounding environmental condition.

유전체 서열이 대량으로 생산되기 시작한 이래, 유전체 서열에서 적응 진화의 증거를 설명하는 연구와 노력은 활발하게 이루어지고 있다. 유전자 발현 데이터로부터 transcript가 유전체 위 어떤 위치에 있는지를 파악하는 RNA-seq을 통하여, 성염색체상의 구성 차이로 인한 특정 성염색체의 비활성화 또는 발현량 증폭을 일컫는 발현 보상(dosage compensation)을 연구할 수 있다. 포유류에서 관찰되는 성염색체 발현 보상(sex chromosomal dosage compensation)을 살펴보면, 조직별로 X 염색체에서 보상 발현 양상에 차이를 보이며, 다른 단백질과 기능적으로 연관되어 있어 발현량 비율을 유지해야 하는 유전자의 경우 X염색체 유전자라 하더라도 상염색체와 비슷한 발현량을 유지하기도 한다. 또한 상염색체와 마찬가지로 X 염색체와 Y 염색체에 동시에 존재하여, X 염색체 비활성화(XCI)에서 벗어나 상염색체와 발현량에 차이를 보이지 않는 탈출 유전자(XCI escape gene)도 있다. Chapter 2에서는 소의 유전체 서열 정보와 유전자 발현 데이터를 이용하여 인간 및 다른 종에서 보고되었던 성염색체 발현 보상의 양상이 소에서는 어떻게 나타나는지를 살펴보고 비교하였다. 또한 유전체 상에서 단백질을 코딩하는 유전자의 유의미한 서열 변이(non-synonymous substitution)는 유기체의 표현형에 미치는 영향이 크므로, 조용한 서열 변이(synonymous substitution)가 일어난 비율과 비교 분석하여 방향성 진화(directional selection), 중립 진화(neutral selection), 정제 진화(purifying selection)를 설명하는 분석 방법(dN/dS ratio)이 고안되어 널리 쓰이고 있다. Chapter 3에서는 아직 진화 연구가 충분히 이루어지지 않은 복어 공개 유전체 정보에서, 다른 물고기와 1:1 ortholog 관계를 이루고 있는 단백질 코딩 유전자를 이용하여 dN/dS ratio를 분석하였다. 그리고 그 결과를 토대로 복어의 특이적인 표현형인 신경독과 관련된 유전자 진화 선택을 추정하고, 진화 선택을 받은 유전자의 높은 dN/dS ratio 분포를 통해 종 분화(diversification) 이후 복어 단백질 코딩 유전자의 진화 가속을 논의하였다. 한편 박테리아의 유전체에서는 함께 동시에 발현되는 유전체 묶음인 오페론이 존재한다. ribosomal RNA 또한 오페론 형태로 존재하며, 서로 다른 세 가지 rRNA가 오페론 내에 포함되어 있다. Chapter 4에서는 다양한 박테리아 유전체 정보를 이용하여, ribosomal RNA 오페론 형태가 깨진 존재하지 않는 박테리아들의 유전체에서 공생 박테리아의 유전체 특징이 강하게 나타나는 것을 관찰하였고, 동시에 이러한 박테리아에서 메타볼리즘에 관련된 유전자 및 전사 조절에 관련된 유전자가 줄어들고 특정 RNase 또한 소실되는 것을 확인하였다. 이로부터 박테리아의 라이프스타일에 따른 적응에는 rRNA 오페론의 copy number 뿐 아니라 구조적인 변형 또한 유도될 수 있다는 가능성을 제시하였다.