블로그

Jan 13, 2024

뚜렷한 게놈 경로는 깊은 곳에서 전문화된 공생 생활 방식으로의 전환의 기초가 됩니다.

네이처커뮤니케이션즈 볼륨

Nature Communications 14권, 기사 번호: 2814(2023) 이 기사 인용

1993년 액세스

51 알트메트릭

측정항목 세부정보

박테리아의 공생은 환형동물이 열수 분출공 및 고래 낙하와 같은 극단적인 생태적 틈새를 식민지화할 수 있게 해줍니다. 그러나 이러한 공생을 유지하는 유전적 원리는 여전히 불분명합니다. 여기에서 우리는 다양한 게놈 적응이 계통 발생적으로 관련된 환형동물의 공생을 뚜렷한 영양 전략으로 뒷받침한다는 것을 보여줍니다. 게놈 압축과 광범위한 유전자 손실은 뼈를 먹는 벌레인 Osedax Frankpressi의 종속 영양 공생과 심해 Vestimentifera의 화학 독립 영양 공생을 구별합니다. Osedax의 내부 공생체는 질소를 재활용하고 일부 아미노산을 합성하는 경로의 손실을 포함하여 숙주의 많은 대사 결함을 보완합니다. Osedax의 내부공생체는 글리옥실레이트 회로를 보유하고 있어 뼈 유래 영양소의 보다 효율적인 이화작용과 지방산에서 탄수화물의 생산을 가능하게 합니다. 대부분의 Vestimentifera와 달리 O. Frankpressi에서는 선천성 면역 유전자가 감소하지만 콜라겐을 소화하기 위해 매트릭스 메탈로프로테아제가 확장됩니다. 우리의 연구는 고도로 전문화된 공생체에서 뚜렷한 영양 상호작용이 숙주 게놈 진화에 다르게 영향을 미친다는 것을 뒷받침합니다.

공생은 진핵 세포의 기원부터 산호초와 같은 생물 다양성 핫스팟의 형성에 이르기까지 지구상의 생명체를 형성해 왔습니다1,2. 박테리아가 무기 화합물을 유기물로 전환하는 동물 화학합성 공생은 해양 서식지 어디에나 존재하며 열수 분출구 주변과 같이 가장 생산적인 공동체에 연료를 공급합니다4. Siboglinid 벌레(Annelida)는 환경적으로 획득된 박테리아5,6와의 공생을 통해 심해 화학합성 환경을 지배하는 경우가 많으며, 성체가 영양체라고 불리는 특수 기관 내에 숨어 있습니다. 생태학적 중요성에도 불구하고 이러한 공생을 유지하는 숙주의 유전적 특성은 Siboglinidae의 4가지 주요 계통 중 하나인 Vestimentifera8,9,10에서만 연구되었습니다(그림 1a). Lamellibrachia luymesi8, Paraescarpia echinospica9, Riftia pachyptila10 및 Ridgeia piscesae11의 게놈은 영양 요구 사항을 충족하기 위해 Vestimentifera와 내배엽 사이의 복잡한 분자 상호 작용을 밝혀냈습니다. 예를 들어, 숙주는 아미노산 생합성8,10,11 및 탄수화물 이화작용9과 관련된 유전자를 잃었지만 영양분 수송8, 가스 교환8,9,10,13,14, 선천적 면역9,11 및 리소좀 소화8,9와 관련된 유전자군은 확장했습니다. 10,15. 반면에 Vestimentifera, Osedax 및 Frenulata를 포함하여 Siboglinidae의 대부분 주요 계통의 내배엽에 대한 게놈 정보가 있습니다. Vestimentifera와 Frenulata의 내공생체는 혼합영양체이며 에너지 생산을 위한 다양한 대사 레퍼토리(예: Vestimentifera의 내공생체의 환원성 트리카르복실산 순환)와 적어도 Vestimentifera 숙주의 대사 결핍을 보완하는 영양분 생합성을 보여줍니다. 또한 숙주의 면역을 감염 및 회피하고 영양분을 운반하며 질소 화합물을 대사하는 유전적 레퍼토리의 증가는 Siboglinidae의 내공생체에서 흔히 발생합니다. 특히, 이러한 유전적 변화의 대부분은 이매패류20, 복족류21 및 환형 환형동물 Olavius ​​algarvensis22를 포함하여 먼 친척 관계에 있는 다른 화학 공생 동물에서도 발생합니다. 따라서 서로 다른 동물 그룹은 해양 생태계에서 서로 다른 화학합성 공생을 유지하기 위해 유사한 유전적 메커니즘을 수렴적으로 진화시켜 왔습니다.

Siboglinidae는 화학합성 공생을 진화시킨 환형동물의 다양한 계통군입니다(왼쪽). Siboglinidae에는 Frenulata, Osedax, Sclerolinum 및 Vestimentifera의 네 가지 주요 계통이 있습니다. 화학무기영양증은 Frenulata, Sclerolinum 및 Vestimentifera에서 발생하며, 이들은 퇴적물 감소부터 메탄 누출 및 열수 분출구(패널 오른쪽)에 이르기까지 다양한 해양 생태계에서 유기 화합물을 생성하기 위해 황 또는 메탄을 사용하는 감마프로테오박테리아와 연관되어 있습니다. 이와는 다르게, Osedax 벌레(예: O. Frankpressi; b, c)는 부패하는 척추뼈를 이용하기 위해 Oceanospirillales와의 종속영양 연관성을 이차적으로 진화시켰습니다. Siboglinidae에서 이러한 영양 공생의 진화에 대한 게놈 기반은 불분명합니다(왼쪽의 물음표). 게놈 정보는 Vestimentifera 숙주(오른쪽의 녹색 원)에만 존재하기 때문입니다. 여기에서 연구된 종은 굵은 글씨로 강조 표시되어 있습니다. b, c 고래 뼈에 있는 O. Frankpressi의 사진(b; 화살촉은 O. Frankpressi를 가리킴)과 성숙한 여성 성인(c). O. Frankpressi는 부패하는 척추동물 뼈에 정착하고 서식합니다(b). 그곳에서 신체의 뒤쪽 부분은 환경적으로 획득된 Oceanospirillales 박테리아에 안정적으로 감염됩니다. 이 신체 부위(소위 뿌리)는 박테리아를 품고 성장하여 뼈에 침투하여 유기 성분을 용해시킵니다. 이러한 영양소는 흡수되어 내부 공생체를 포함하는 세균 세포로 운반되며, 이는 증식하여 벌레의 먹이로 작용합니다. 뿌리 조직 앞쪽에는 생식 난낭이 있고 머리에는 두 쌍의 더듬이가 있습니다.