극지 신종 효모의 추위 적응 기작

 

Importance & Previous studies

• 극지에 사는 미생물들(psychrophillic / psychrotolerant)은 수분 및 양분 부족, 높은 산화 스트레스, 높은 태양 복사 및 잦은 동결-해동 주기 등의 극한 환경을 극복하기 위해 막 유동성, 효소 활성 및 protein folding을 감소시키고 안정적인 2차 억제 DNA/RNA 구조를 만들었다. 
• 극지 세균, 고균, 조류에 대한 연구는 많으나 극지 진균(fungi)은 최근에서야 연구되기 시작했다.
• 극지의 다양한 서식지에서 진균이 분리되며, 이들은 공생관계를 통한 1차 생산 및 양분 순환에 기여함.

Knowledge gap

• 담자균 효모도 극지의 다양한 환경에서 발견되지만, 이들의 추위 적응 기작은 아직 완전히 밝혀지지 않았음

Objective

1. -10 ℃에서도 생장가능한 Rhodotorula JG1 균주의 계통학적 위치 결정
2. Rhodotorula JG1 균주의 물질대사 경로 및 추위에 대한 반응 조절 기작 규명

Approach

1. Phenotype Microarray를 이용하여 0 °C와 23 °C에서 영양원 가용성 평가
2. 0 °C와 23 °C에서 효모를 키운 뒤 mRNA 와 small RNA(sRNA, <200 nt) library를 따로 제작하여 시퀀싱
3. 0 °C와 23 °C에서 효모를 키우며 EnzyChrom Ethanol Assay Kit를 이용해 주기적으로 ethanol production 검증

Discussion

1. Multigene phylogeny (18S rRNA, D1/D2 of 28S rRNA, ITS, TEF1) + Phenotype Microarray 통해 신종 명명: Rhodotorula frigidialcoholis
2. Phenotype Microarray 실험 결과 35개의 탄소원에서 성장했지만, 29개의 탄소원에서는 성장만 하고 호흡하지 않음(tetrazolium dye가 NADH에 의해 환원되지 않음).
   → 이는 세포 성장이 electron transport chain(ETC)가 아닌 glycolysis나 fermentation을 통해 일어났으리라 추측
3. 0 °C와 23 °C에서 mRNA 발현을 비교했을때, 0 °C에서 다음과 같은 유전자들의 변화 일어남
   Unsaturated fattyacids (FA) biosynthesis ⬆️→ membrane fluidity
   Sphingolipid metabolism ⬆️→ cell cycle arrest
   Production of torulene and β-carotene precursors ⬆️→ membrane fluidity & protection from solar irradiation or long-term background γ-radiation 등등... 이 있지만 (심지어 너무 많음 이렇게 까지 해야하나) 핵심은
   Carbohydrate and energy metabolism 관련 유전자들의 변화
   Citrate cycle⬇️, pentose phosphate pathway (PPP)⬇️, ETC subunit ⬇️, ethanol & xylitol fermentation⬆️ → 
   0 °C에서 호흡 없는 성장 (Phenotype Microarray 결과)과 일치.
4. 0 °C와 23 °C에서 Ethanol production 및 생장을 주기적으로 측정한 결과 23 °C에서는 생장하면서 ethanol을 생성하지 않는 반면,  0 °C에서는 느리게 생장하긴 하지만 ethanol을 생성함 → 지금까지 알려진 미생물 발효 중 가장 낮은 온도.
   
5. 0 °C와 23 °C에서 sRNA 발현을 비교했을때, 0 °C에서 short rRFs/miRNAs⬆️ → 광범위한 mRNA 발현 억제될 것

Conclusion

Repistory metabolism 에서 fermentation metabolism으로 바뀌는 새로운 추위 적응 기작을 밝힘 + Rhodotorulafrigidialcoholis 는 극지에서 살아남을 수 있는 다양한 적응 기작을 진화시킴.

인상 깊었던 점

• Introduction 잘씀. knowledge gap, objective가 하나의 주제로 일관돼서 명확함
• M&M에서 짧게나마 각 실험을 왜 하게 됐는지 설명해줘서 이해가 쉬웠음
• 어떤 결과도 무시하지 않고 하나하나 다 discussion 하려고함.. 그래서 좀 과하다 싶긴 했음
• 하나의 결과를 다른 결과와 연결지어 해석하려는 노력이 많이 보여서 해석의 신뢰도도 올라감
  e.g.1) 0 °C에서 β-carotene precursors 생산 연관 유전자 발현이 증가했는데 이를 0 °C에서 효모의 색이 더 짙어진 것과 연결지음
  e.g.2) 0 °C에서 actin cytoskeleton gene 증가를 membrane fluidity를 증가시키기 위한 lipid 수송과 연결지음 (소설이긴 하지만)
• 저온 발효가 일어나는 걸 Phenotype Microarray와 RNA-seq에서 그치지 않고 Ethanol production 측정을 통해 직접 검증하여 완성도를 높였음
• 저온에서 키우니까 천천히 자라서 최대 91일 까지 실험... 댐...
• 저온발효는 맥주 만드는데도 유용하게 쓰일 것 같다 츄릅🤤

References

Touchette, D., Altshuler, I., Gostinčar, C., Zalar, P., Raymond-Bouchard, I., Zajc, J., McKay, C., Gunde-Cimerman, N., and Whyte, L. (2022). Novel Antarctic yeast adapts to cold by switching energy metabolism and increasing small RNA synthesis. The ISME journal 16, 221-232.