Comparative genome mining of endophytic Aspergillus species reveals conserved biosynthetic gene clusters across multiple hosts
본 연구는 이란의 약용 식물에서 분리된 내생균인 *Aspergillus fumigatus*와 *Aspergillus terreus*에 대한 최초의 비교 유전체 분석을 제시하며, 천연물 발견을 위한 이들의 탁월한 대사 잠재력을 강조하는 보존된 및 종 특이적 생합성 유전자 군집의 높은 다양성을 밝혀냈다.
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식물의 건강한 조직 깊은 곳에는 육안으로는 볼 수 없는 숨겨진 균류의 세계가 존재합니다. 이들은 과일을 부패시키는 곰팡이나 숲 바닥에 점점이 박힌 버섯이 아닙니다. 이들은 식물을 병들게 하지 않으면서 식물 내부에서 살아가는 미생물 거주자인 엔도파이트(endophytes, 내생균)입니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 숨겨진 손님들이 식물이 가뭄에서 살아남거나 해충과 싸우는 데 도움을 주는 독특한 화합물을 생산하는 화학 공장이라고 의심해 왔습니다. 이러한 미생물 거주자 중 가장 다작하는 종 중 하나는 지구상 거의 모든 곳에서 발견되는 균류 속인 아스페르길루스(Aspergillus)입니다. 일부 아스페르길루스 종은 인간에게 질병을 일으키거나 음식을 부패시키는 것으로 알려져 있지만, 다른 종들은 식물 내부에서 평화롭게 살아가며, 연구자들은 이들이 어떤 화학적 비밀을 품고 있는지에 대해 점점 더 많은 관심을 기울이고 있습니다. 핵심적인 질문은 특정 곰팡이가 살아가는 식물이 그 곰팡이가 만드는 화학 물질을 변화시키는지, 아니면 곰팡이가 집(서식처)과 상관없이 표준화된 화학적 도구 세트를 지니고 있는가 하는 것입니다. 많은 생명을 구하는 약물들이 항생제부터 콜레스테롤 저하 치료제에 이르기까지 원래 균류에서 발견되었다는 점에서, 이 관계를 이해하는 것은 새로운 의약품을 찾는 데 매우 중요합니다.
최근 한 연구에서 이란의 연구진은 세 가지 서로 다른 약용 식물 내부에서 발견되는 두 가지 특정 유형의 아스페르길루스 균류를 조사하여 이 관계를 탐구하고자 했습니다. 연구팀은 복잡한 화학 물질을 생성하는 능력으로 알려진 두 종인 Aspergillus fumigatus와 Aspergillus terreus에 집중했습니다. 그들은 동 아제르바이잔 지역의 자생 식물인 骆驼刺(camel thorn)와 접시꽃(hollyhock)의 잎, 그리고 염생목(salt cedar)의 뿌리에서 샘플을 수집했습니다. 식물 표면을 주의 깊게 멸균하고 실험실에서 균류를 배양함으로써, 연구진은 A. fumigatus가 세 가지 서로 다른 식물 모두의 잎과 뿌리에서 발견되는 진정한 일반주의자(generalist)임을 확인했습니다. 반면, A. terreus는 더 선택적이어서 염생목의 뿌리와 낙타 가시의 잎에서만 나타났으며, 접시꽃에서는 완전히 나타나지 않았습니다. 이러한 분포의 차이는 A. fumigatus는 적응력이 매우 높은 반면, A. terreus는 자신의 숙주에 대해 더 까다로울 수 있음을 시사했습니다.
이러한 균류가 왜 다르게 행동하는지 이해하기 위해, 연구진은 게놈 마이닝(genome mining)이라 불리는 기술을 활용했습니다. 연구진은 균류를 배양하여 접시 안에서 어떤 화학 물질을 만들어내는지 관찰하는 대신, 그들의 유전적 청사진, 즉 게놈을 직접 살펴보았습니다. 그들은 특수 컴퓨터 프로그램을 사용하여 DNA에서 '생합성 유전자 클러스터(biosynthetic gene clusters)'를 스캔했습니다. 이는 특정 화합물을 만들기 위해 공장의 조립 라인처럼 함께 작동하는 유전자 그룹입니다. 분석 결과, 이 두 균류의 잠재력에는 현저한 차이가 있음이 드러났습니다. A. fumigatus의 게놈에는 44개의 이러한 유전자 클러스터가 포함되어 있었으나, A. terreus는 무려 73개를 보유하고 있었습니다. 식물 내부에서 살아가는 균류 중 이처럼 높은 숫자는 A. terreus가 역대 최고 수준이며, 이는 이 균류가 매우 다양한 화학 화합물을 만들어낼 수 있는 탁월한 능력을 갖추고 있음을 시사합니다.
연구진이 두 종의 유전자 클러스터를 비교했을 때, 15개의 클러스터가 두 종 사이에서 공유되고 있음을 발견했습니다. 이 공통 클러스터들은 아마도 철분(식물 환경에서 철분을 잡아내는 데 도움을 주는 분자로, 종종 부족한 영양소임)을 확보하는 데 도움을 주는 시데로포어(siderophores)와 같은 생존 필수 도구들을 생산할 것으로 보입니다. 또한 그들은 의사소통이나 방어를 도울 수 있는 휘발성 화학 물질인 테르펜(terpenes)을 만드는 유전자도 공유했습니다. 그러나 차이점 또한 중요했습니다. A. fumigatus는 혈관 성장을 억제하는 것으로 알려진 푸마길린(fumagillin)과 면역 체계에 영향을 미치는 글리오톡신(gliotoxin)을 만드는 고유한 유전자 클러스터를 가지고 있었습니다. 반면, A. terreus는 유명한 콜레스테롤 저하제인 로바스타틴(lovastatin)과 테레익산(terreic acid)을 만드는 특정 유전적 지침을 보유하고 있었습니다. 이 연구는 두 균류가 식물 내부에서 살아가기 위한 기본적인 도구 상자를 공유하면서도, 각기 다른 전문화된 영역을 진화시켜 왔음을 보여주었으며, 특히 A.- terreus가 그 상대방보다 훨씬 크고 다양한 화학적 작업실을 갖추고 있음을 보여주었습니다.
연구진은 또한 A. terreus가 접시꽃에서 발견되지 않은 이유가 식물 자체의 화학적 방어 기제 때문일 수 있다고 언급했습니다. 즉, 이 식물의 방어 기제가 이 특정 곰팡류를 억제하는 반면, 적응력이 높은 A. fumigatus는 번성할 수 있게 한다는 것입니다. 연구진은 이러한 화학 물질을 생성할 수 있는 유전적 잠재력을 확인했지만, 저자는 유전자를 가지고 있다고 해서 반드시 그 균류가 현재 그 화합물을 만들고 있다는 것을 보장하는 것은 아니라고 주의를 주었습니다. 많은 유전적 공장들은 특정 조건에 의해 촉발되지 않으면 침묵 상태로 남아 있기 때문입니다. 그럼에도 불구하고, 이번 연구 결과는 이 엔도파이트 균류들이 생물학적 다양성의 풍부한 원천임을 확인해 줍니다. 이란의 약용 식물로부터 유래한 균류의 유전적 잠재력을 지도화함으로써, 이 연구는 식물과 그 미생물 파트너가 공유하는 거대하고 숨겨진 화학 라이브러리를 엿볼 수 있는 유망한 후보로서의 가치를 강조하며, 향후 신약 개발의 가능성을 제시합니다.
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