Symbiotic Interaction of Vestimentiferan Tubeworm Lamellibrachia satsuma and Chemosynthetic Bacteria by Metagenomic and Transcriptomic Analysis :

Ajit Kumar Patra

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자료유형: 학위논문

저자정보: Ajit Kumar Patra (과학기술연합대학원대학교, University of Science and Technology)

지도교수: Sang-Jin Kim, Sung Gyun Kang

발행연도: 2017

저작권: 과학기술연합대학원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수2

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2017

Symbiotic Interaction of Vestimentiferan Tubeworm Lamellibrachia satsuma and Chemosynthetic Bacteria by Metagenomic and Transcriptomic Analysis

Ajit Kuma , Pat , a 2017.01 학위논문

2015

The Complete Mitochondrial Genome Sequence of the Vestimentiferan Tubeworm Lamellibrachia satsuma (Annelida: Polychaeta: Siboglinidae)

Ajit Kuma , Pat , a 외 4명 한국미생물학회 학술대회논문집 2015.04 학술대회자료

2014

Coexistence of Multiple Endosymbionts in the Tubeworm Lamellibrachia satsuma Revealed by Comparative Metagenomic Analysis

Ajit Kuma , Pat , a 외 4명 한국미생물학회 학술대회논문집 2014.04 학술대회자료

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관벌레인 Lamellibrachia satsuma은 가고시마 만, 난카이 해구, 이즈 오가사와라 리즈에서 우점하고 있는 동물 중의 하나로 알려져 있다. Trophosome 내에 살아가는 내부공생세균은 동물에 의해 제공된 무기물을 이용하여 관벌레의 성장에 필요로 하는 유기물로 돌려보내는 역할을 한다. 해양 무척추동물에서 화학합성을 하는 내부공생세균의 순수 배양은 한계가 있으므로 이들의 생리현상을 이해하기위해 종종 비배양 세균을 이용하여 연구를 진행한다. 본 연구에서는 대용량 처리 연속 서열 기술을 도입하여 두 지역, #1368과 #1371에서 채집한 관벌레의 trophosome에서 각각 7.36Mb와 6.06Mb의 서열을 산출하였다. Binning법 기반의 차별적 범위를 사용하여 관벌레 내 황산화에 관여하는 공생세균의 유전체 염기서열을 최초로 분석하였다. 관벌레와 내부공생세균간의 물질대사와 면역학적 상호작용을 알아보기위해 전사체분석을 추가적으로 진행하였다. Riftia pachyptila와 Escarpia laminata에서 보고된 바처럼, 관벌레 내에 우점하고 있는 gamma 내부공생세균은 세포질 효소인 AprA/B에 의한 황산화작용, 아황산 산화효소인 Sox, 그리고 Calvin과 rTCA 순환을 통해 탄소 fixation에 필요한 필수 유전자들을 모두 함유하고 있었다. 수소산화작용에 의해 에너지를 교대로 이용할 수 있는 공생세균의 역량과 수소를 활용하는 수소화효소 유전자를 발견하였다. Gamma 공생세균외에도, 독립적으로 살아가는 epsilon 공생세균 또한 메타유전체와 16S rRNA 유전자 서열 분석을 통해 발견하였다. Epsilon 공생세균은 Rimicaris exoculata와 Sulfurovum sp. NBC37-1의 외부공생세균과 밀접하게 연관되어 있었으며, Sox와 rTCA 순환을 위한 유전자들처럼 황산화작용에 관여하는 공생세균에서 발견 된 필수 물질대사 유전자들을 포함하고 있었다. 병원성세균인 Vibrio와 Pseudomonas와 같은 독성에 관여하는 유사한 유전자들과 병원성 미생물로부터 숙주를 방어할 수 있는 항독소에 관여하는 유전자들을 관벌레 내부공생세균에서 발견하였다. Gram 음성균의 펩티도글리칸에 특이적으로 인지하고 결합할 수 있는 PGRPs의 존재를 전사체분석을 통해 확인하였다. 뿐만 아니라, 유해균과 유익균을 인지하여 하류 신호 경로로 조절하는 TLRs를 함유하고 있었다. 본 연구를 통해 관벌레와 공생세균은 영양적 및 면역적으로 서로를 인지하여 유익한 활동을 하는 결과를 도출하였다.

The vestimentiferan tubeworm Lamellibrachia satsuma is one of the dominant macrofauna of Kagoshima Bay, Nankai Trough, and Izu-Ogasawara Ridge. The endosymbiotic bacteria living inside the trophosome utilize the inorganic compounds supplied by the animal and return with the organic molecules necessary for tubeworm’s growth. The pure culture of chemosynthetic endosymbionts from the marine invertebrates is very limited. Therefore, limited molecular methods are often applied to investigate the unculturable bacteria to understand their physiology. In this study, using high-throughput sequencing technology, I yielded 7.36Mb and 6.06Mb sequences from the trophosomes of two tubeworm individuals of different sampling sites, #1368 and #1371. Using differential coverage based binning methods I extracted and assembled the first complete draft genomes from the chemosynthetic sulfur-oxidizing symbionts of the tubeworm Lamellibrachia satsuma. In addition, I performed transcriptomic analysis from the vestiment and trophosome region to study the metabolic and immunological interaction of the tubeworm with its endosymbiont from the host perspective. As previously reported in the endosymbiont of the various tubeworms such as Riftia pachyptila and Escarpia laminata, Gamma-symbionts contain all genes essential for sulfur-oxidation through the cytoplasmic enzymes (AprA/AprB) and periplasmic sulfite oxidase enzyme complex (Sox), and carbon fixation by both Calvin cycle and rTCA cycle. I also detected hydrogenase genes for H2-uptake and maturation indicating the capability of this symbiont to harness energy alternatively through hydrogen oxidation. Apart from usual Gamma-symbionts, free-living Epsilon-symbiont was also detected in one of the individual by 16S rRNA gene sequencing and metagenome analysis. The Epsilon-symbionts are closely related to the ectosymbiont of Rimicaris exoculata and Sulfurovum sp. NBC37-1. This Epsilon-symbionts also contain necessary metabolic genes found in chemosynthetic sulfur-oxidizing symbiont, such as genes encoded for periplasmic sulfite oxidase enzyme complex (Sox) and rTCA cycle. I found several virulence related genes similar to pathogens such as Vibrio and Pseudomonas and discovered several toxin and anti-toxin related genes in the symbionts of tubeworms, which can be used for beneficial interaction as well as protecting the host from pathogenic microorganisms. Transcriptomic analysis revealed that tubeworm has peptidoglycan recognition proteins (PGRPs), which has selecting binding affinity to specific gram-negative bacteria. It also possessed toll-like receptors (TLRs) to regulate downstream signalling pathway for recognition of pathogenic and beneficial microorganism. From this study, I conclude that both host and symbiont have machinery to recognize each other and act beneficial both nutritionally and immunologically.

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