Streptomyces coelicolor 막 소포가 운반하는 DNA 서열 분석

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16651(2022) 이 기사 인용

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막 소포(MV)는 나노 크기의 구형 입자이며 핵산, 단백질, 지질 및 세포 대사산물과 같은 다양한 화물이 존재하는 것이 특징입니다. MV를 생산하는 (미생물)생물의 많은 예가 문헌에 보고되어 있습니다. 그중에서도 박테리아 MV는 수평 유전자 전달의 네 번째 메커니즘으로 간주되기 때문에 특히 관심을 끌고 있습니다. 스트렙토마이세스 박테리아는 생태학적 역할과 생리 활성 화합물을 합성하는 능력으로 잘 알려져 있으며, 스트렙토마이세스 코엘리컬러(Streptomyces coelicolor)가 모델 유기체입니다. 이전에는 서로 다른 단백질과 대사산물 화물을 특징으로 하는 뚜렷한 MV 집단을 생성할 수 있다는 것이 입증되었습니다. 이 연구에서 우리는 S. coelicolor의 MV가 DNA와 RNA를 모두 가지고 있으며 DNA 함량이 박테리아의 전체 염색체를 나타냄을 처음으로 입증했습니다. 이러한 발견은 MV DNA가 Streptomyces 게놈의 진화에 역할을 할 수 있으며 MV가 새로운 균주 공학 전략에 활용될 수 있음을 시사합니다.

세균성 막 소포(MV)는 나노미터 직경을 가진 구형 및 막성 입자이며 그 화물에는 핵산(DNA 및 RNA), 지질, 단백질(예: 효소 및 독소)과 같은 다양한 거대분자와 세포와 같은 작은 분자가 포함됩니다. 대사산물, 신호 및 생리활성 분자(즉, 항생제)1,2,3,4. MV의 방출은 영양 섭취, 경쟁, 생존, 스트레스 반응, 세포 간 의사소통, 수평 유전자 전달(HGT)1,3,5 등 많은 생물학적 기능을 촉진할 수 있습니다. 유전자와 게놈의 형성과 그 진화를 주도하는 주요 힘 중 하나로 인식되는 HGT의 맥락에서 MV는 (매우) 중요한 역할을 할 수 있습니다. 원핵생물에서 HGT의 주요 연구 메커니즘은 형질전환, 접합 및 형질도입입니다6,7. 그러나 최근 몇 년 동안 MV는 소포유도라고 불리는 HGT의 네 번째 메커니즘으로 간주되었습니다. 실제로 염색체, 플라스미드 및/또는 파지 DNA와 같은 다양한 유형의 유전 물질이 sRNA, mRNA 및 miRNA와 함께 MV 내부 또는 막과 관련하여 검출되었습니다5,8,9,11. MV에 의해 매개되는 HGT의 발생은 많은 연구에서 관찰되었습니다. 예를 들어 Klieve et al.12는 Ruminococcus 속에 속하는 그람 양성 박테리아에 의해 방출된 MV와 DNA의 연관성을 처음으로 입증했습니다. 돌연변이 균주에서 특정 대사 활동을 복원하기 위해 이러한 MV를 사용합니다. 더욱이, MV는 서로 다른 균주 13,14와 DNA 화물 사이의 플라스미드를 진핵 숙주 세포 15로 전달하는 것으로 보고되었습니다.

또한, 세포외 DNA(eDNA)는 생물막 형성의 초기 단계에서 세포 부착을 가능하게 하는 박테리아 생물막 매트릭스의 중요한 구성 요소입니다. Streptococcus mutans 플랑크톤 세포에서 eDNA는 MV와 관련된 용해 독립적 모드에 의해서도 방출됩니다. 따라서 플랑크톤 배양의 MV에 있는 eDNA는 박테리아 집락화를 촉진하는 생물막 형성의 초기 단계에서 어떤 역할을 할 수 있습니다. 또한, MV eDNA는 생물막 구조적 완전성과 안정성에 영향을 미치는 것으로 보고되었습니다16.

1972년부터 2021년 사이에 수행된 원핵 세포 막 소포에 관한 연구 중 4%만이 그람 양성 박테리아의 MV에 관한 것입니다. 실제로 그람 양성 박테리아는 외부 소포가 부족하기 때문에 소포를 생성할 수 없다고 오랫동안 가정되어 왔습니다. 막층과 두꺼운 세포벽의 존재1. 최근 몇 년 동안 그람 양성 MV는 더 많은 관심을 얻었으며 Staphylococcus spp., Bacillus spp., Lactobacillus spp. 및 Streptomyces spp.4,18,19와 같은 병원성 및 비병원성 균주 모두에서 방출이 입증되었습니다. 20,21.

스트렙토마이세스(Streptomyces)는 육상 및 해양 환경 어디에나 존재하는 사상균 그람 양성 박테리아의 속으로, 예를 들어 식물, 균류, 곤충 및 해면동물과 공생하여 살 수 있습니다22: 이러한 다양한 생태학적 틈새에 적응하고 다른 생물과의 상호 작용( 미생물은 생리활성 대사산물의 독특한 화학적 다양성을 가져왔으며, 그 생산은 영양 부족 및 경쟁자 존재와 같은 환경 신호의 복잡한 네트워크에 의해 규제됩니다22,23,24. 스트렙토마이세스는 군집의 균사체가 별개의 세포 유형(즉, 영양 균사, 기중 균사 및 포자)과 심지어 다른 하위 개체군에 의해 형성되므로 복잡한 생활사를 가지고 있습니다. 실제로 스트렙토미세스 군체는 최근 사회성 곤충 군집과 유사한 것으로 기술되었습니다 선형 염색체 팔의 결실 및/또는 증폭을 특징으로 하고 자신의 체력을 희생하면서 항생제를 과잉 생산하는 돌연변이 세포 하위 집단이 존재하기 때문에 노동 분업이 필요합니다25,26.