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꿀벌 복안 발달에서 Pax6 유전자의 역할 이해: CRISPR/Cas9 연구

 

꿀벌은 주요 수분 매개자로서 시각 시스템, 특히 복안에 크게 의존하는데, 복안은 항해, 색상 인식 및 공간 인식에 중요한 역할을 합니다. 이 눈의 발달은 진화적으로 보존된 유전자에 의해 제어되며, Pax6는 많은 종에서 주요 조절자로 두드러집니다. 이 기사는 꿀벌 내의 두 Pax6 동족체(ey 및 toy)의 고유한 기능을 탐구하여 고급 CRISPR/Cas9 유전자 편집 기술 덕분에 이들의 발달 역할에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다.

눈 발달에 있어서 Pax6 유전자의 중요한 역할

Pax6는 다양한 동물 종에서 눈 형성에 관여하는 잘 알려진 전사 인자입니다. 곤충의 복안 발달에 있어서의 중요성이 확립되었으며, 연구에서는 Drosophila melanogaster 및 Tribolium castaneum 과 같은 다른 종에서 Pax6 동족체인 ey 및 toy의 영향을 보여주었습니다 . 이전 연구에서는 이러한 유전자의 돌연변이가 종종 기형 또는 복안의 완전한 부재로 이어진다는 것이 입증되었습니다.

꿀벌( Apis mellifera )에서 두 개의 Pax6 동족체인 ey와 toy가 확인되었습니다. 그러나 복안 발달에서 이들의 특정 역할에 대해서는 알려진 바가 거의 없어서 연구자들은 이 유전자들이 다른 곤충과 비교했을 때 꿀벌에서 독특한 기능을 하는지 알아보게 되었습니다.

CRISPR/Cas9 유전자 편집 및 녹아웃 결과

CRISPR/Cas9 기술을 사용하여 연구자들은 꿀벌의 눈과 장난감을 모두 녹아웃하여 머리와 눈 발달에 미치는 영향을 관찰했습니다. 연구 결과는 흥미로운 차이점을 보여주었습니다.

• 토이 녹아웃 돌연변이 : 이 꿀벌은 복안 없이 발달했고 상당히 작은 머리를 보였다. 이 녹아웃은 또한 뇌 위축을 초래했는데, 이는 눈과 머리 발달에서 토이 유전자의 중추적 역할을 강조한다.
• Ey-Knockout 돌연변이체 : 이와 대조적으로 ey-knockout 돌연변이체는 야생형 벌과 유사한 복안을 발달시켰습니다. 그러나 대부분의 ey-knockout 개체는 변태 중 또는 변태 직후에 사망하여 ey가 전반적인 생존에 필수적이지만 꿀벌의 눈 형성에 지배적인 역할을 하지 않는다는 것을 시사합니다.

이러한 녹아웃 유전자의 대조적인 결과는 다른 곤충에서는 Pax6 유전자 둘 다 눈 형성에 중요한 반면, 꿀벌에서는 토이 유전자가 복안 발달을 조절하는 주요 역할을 하는 반면, ey 유전자는 변태와 같은 후기 발달 단계에 더 많이 관여한다는 것을 보여줍니다.

유전자 발현 및 조절 네트워크

장난감 녹아웃 돌연변이체와 일반 벌 사이의 유전자 발현에 대한 비교 분석은 눈과 뇌 발달과 관련된 여러 유전자에서 상당한 변화를 발견했습니다. 주요 결과는 다음과 같습니다.

• 눈 관련 유전자의 다운레귤레이션 : 눈과 신경 발달의 다양한 단계에 관여하는 eya , lz , gl , scro , dpr7 과 같은 유전자는 모두 장난감 녹아웃 돌연변이에서 상당히 다운레귤레이션되었습니다. 이는 장난감이 꿀벌의 복안 발달을 담당하는 유전자 네트워크에서 중심적인 조절 역할을 한다는 것을 시사합니다.
• 비코딩 RNA : 두 개의 비코딩 RNA인 Mir29b 와 LOC114577038 도 하향조절되었는데, 이는 후성유전적 메커니즘이 꿀벌의 눈 발달 조절에 관여할 수 있음을 나타냅니다.

흥미롭게도, 장난감이 없으면 복안이 손실되지만, ey 유전자의 발현에도 영향을 미쳐 이 두 Pax6 동족체 사이에 복잡한 조절 관계가 있음을 나타냅니다. 그럼에도 불구하고, ey 유전자는 눈 발달에서 장난감 손실을 보상할 수 없었으며, 이는 이 유전자들이 꿀벌에서 하는 뚜렷한 역할을 강조합니다.

Pax6 기능의 보존 및 진화

연구 결과는 Pax6 유전자가 전부 아니면 전무의 마스터 조절자로 기능한다는 전통적인 견해에 도전합니다. 꿀벌에서, 토이는 눈 발달에서 더 중심적인 역할을 맡았지만, ey는 번데기에서 성충으로의 전환을 용이하게 하는 것과 같은 다른 발달 기능을 충족하도록 진화한 것으로 보입니다. 유전자 기능의 이러한 차이는 다른 곤충과 비교했을 때 꿀벌의 독특한 발달 과정과 관련이 있을 수 있습니다.

종 전체, 특히 PAX와 HOX 도메인에서 Pax6 유전자의 보존은 이러한 유전자의 핵심 기능이 그대로 유지되지만 진화적 압력으로 인해 다양한 종에서 기능적 특화로 이어졌다는 것을 시사합니다. 꿀벌에서 이러한 특화로 인해 복안 발달에서 토이가 주요 역할을 맡는 반면, ey는 머리와 뇌 발달의 다른 측면에 더 많이 관여하게 되었습니다.

결론

이 연구는 꿀벌에서 Pax6 유전자의 고유한 역할에 대한 귀중한 통찰력을 제공하며, 이러한 유전자의 진화적 유연성을 강조합니다. CRISPR/Cas9 기술을 사용하여 ey와 toy를 녹아웃함으로써 연구자들은 복안 발달을 조절하는 데 있어 toy의 중요한 역할을 발견했고, ey는 다른 발달 과정에서 보조적인 역할을 합니다. 이러한 발견은 곤충 눈 발달의 근저에 있는 분자적 메커니즘에 대한 더 광범위한 이해에 기여하고 Pax6 유전자를 주요 조절자로 보는 단순화된 관점에 도전합니다.

자주 묻는 질문:

1. Pax6 유전자는 무엇인가? Pax6 유전자는 곤충과 인간을 포함한 많은 종의 눈 발달에 필수적인 전사 인자입니다.

2. 이 연구는 꿀벌 Pax6 유전자에 대해 무엇을 발견했나요? 이 연구는 꿀벌의 두 Pax6 유전자인 ey와 toy가 서로 다른 역할을 한다는 것을 발견했는데, toy는 주로 복안 발달을 조절하는 반면 ey는 후기 발달 단계에 더 많이 관여합니다.

3. 이 연구의 중요성은 무엇인가? 이 연구는 꿀벌의 Pax6 유전자의 기능적 특수화에 대한 새로운 통찰력을 제공하고, 이러한 유전자를 눈 발달의 전부 아니면 전무 조절자로 보는 전통적인 견해에 도전한다.

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