디트리시아 나비목(Ditrysian Lepidoptera)의 초기 분기 계통을 대표하는 방추담비나방(Yponomeuta cagnagella)의 게놈 서열 및 실로믹스

커뮤니케이션 생물학 5권, 기사 번호: 1281(2022) 이 기사 인용

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많은 나비목 종은 애벌레와 번데기의 포식자와 기생충으로부터 보호하기 위해 실크, 고치, 먹이관 또는 둥지를 생산합니다. 그러나 실크 구성이 자세히 연구된 나비목 종의 수는 매우 적습니다. 왜냐하면 주요 구조 실크 단백질을 암호화하는 유전자가 크고 반복적인 경향이 있어 조립 및 서열 분석이 어렵기 때문입니다. 여기서 우리는 디트리시안 나비목(ditrysian Lepidoptera)의 초기 분기 계통 중 하나를 나타내는 Yponomeuta cagnagella의 실크를 분석하여 목의 적용 범위를 개선했습니다. Y. cagnagella 실크 유전자의 포괄적인 목록을 얻기 위해 우리는 Oxford Nanopore 및 Illumina 기술을 사용하여 초안 게놈의 서열을 분석하고 조립했습니다. 우리는 실크선 전사체와 실크 프로테옴을 사용하여 주요 실크 구성 요소를 식별하고 개별 유전자 발현의 조직 특이성을 확인했습니다. 완전한 서열과 엑손-인트론 구조를 포함하여 주요 유전자와 추정 생성물에 대한 자세한 주석이 제공됩니다. 실크 분비선과 섬유의 형태도 표시됩니다. 이 연구는 실크 유전자의 구조, 진화 및 기능에 대한 우리의 이해 증가에 있어 중요한 격차를 메우고 Yponomeuta 종의 화학 생태학에 대한 향후 연구를 위한 게놈 자원을 제공합니다.

실크는 다양한 절지동물 계통에 의해 생산된 단백질 섬유를 설명하는 데 사용되는 기능적 용어로 다양한 재료를 포괄합니다1. 실크 구성 요소에 특정한 뉴클레오티드 및 단백질 서열을 특성화하기 위한 오믹스 기술의 적용이 증가함에 따라 절지동물 분류군 전체에 걸쳐 실크 특성의 눈에 띄는 가변성이 드러났습니다. 서로 다른 지배적인 단백질 구조를 가진 실크는 서로 다른 진화적 기원을 가지고 있다는 가설이 세워졌습니다. 거미6, 나방2,7, 캐디파리8,9 및 꿀벌10,11에 대한 연구 수가 점점 늘어나면서 실크 생산이 여러 그룹에서 독립적으로 진화했음을 시사합니다. 곤충은 실크 분비를 위해 다양한 유형의 땀샘을 사용하고 다양한 단백질 분비물을 생성합니다. 실제로 곤충 실크는 23개 계통에서 독립적으로 진화했을 수 있습니다1. 그러나 Lepidoptera와 Trichoptera(Amphiesmenoptera 상목을 형성하는 자매 그룹)의 유충은 순선에서 L- 및 H-피브로인을 포함하는 실크 섬유를 생산하며 주요 실크 단백질은 공통 기원을 가지고 있습니다. 이러한 유형의 실크 생산은 3억년 이상 동안 보존되어 왔다고 제안되었습니다13.

나비목 애벌레가 생산하는 실크는 실크샘(SG)이라고 불리는 한 쌍의 특수 순측샘(타액선)에서 분비됩니다. 실크 단백질의 혼합물은 회전 후 고형화되는 두꺼운 용액으로 실크 분비선의 내강에 저장됩니다. 전체적인 실크 구조는 유사하지만 나비목에서는 개별 단백질이 크게 다를 수 있습니다. 용해도에 따라 실크 단백질은 전통적으로 두 그룹으로 나뉩니다. 두 개의 코어 필라멘트를 형성하는 불용성 피브로인 단백질과 친수성 코팅을 형성하고 필라멘트를 섬유로 밀봉하는 뜨거운 물에 용해되는 세리신 단백질입니다. 피브로인은 견사샘의 뒤쪽 부분(PSG)에서 생산되는 반면, 코팅 단백질은 중간 견사샘(MSG)에 저장된 실크에 점진적으로 첨가됩니다. 실크 땀샘(ASG)의 앞부분은 실크 성분을 생성하지 않으며 분비선 배출구 역할을 합니다. 코팅 단백질은 포함된 단백질의 수와 개별 구성 요소의 서열 모두에서 종 간에 큰 이질성을 보여줍니다.

실크 성분에 대한 자세한 분석은 나방과 Bombycidae17, Saturniidae18, Pyralidae19, Nolidae5, Tineidae7 및 Psychidae20의 여러 대표자에서 수행되었으며, 대부분의 종은 현존하는 나비목 다양성의 98% 이상을 차지하는 고등 Ditrysia에 속합니다. 그러나 새로 연구된 종에서 실크 단백질의 검출은 서열의 반복적 특성과 동일한 과에 속한 종 간의 낮은 서열 유사성으로 인해 방해를 받습니다. 빠른 서열 변화와 결합된 유전자 손실 및 복제는 유사성을 기반으로 외피 단백질을 코딩하는 개별 유전자를 식별하는 것을 매우 어렵게 만듭니다. 결과적으로 실크 유전자의 전체 길이 서열과 엑손-인트론 구조가 누락되는 경우가 많습니다.