우수 마 선택을 위한 최신 전략

김정안(Jeong-An Gim),김희수(Heui-Soo Kim) 한국생명과학회 2016 생명과학회지 Vol.26 No.7

말은 인류에 의해 상대적으로 일찍 가축화된 종 중 하나로써, 경주능력, 강건성 및 항병성 등과 같은 능력을 위해 인공적으로 선택되었다. 그 결과, 현재 경주마로 많이 쓰이고 있는 서러브레드의 게놈은 운동 능력에 특화된 유전자형을 많이 갖고 있다. 최근 NGS 기술의 도래와 함께 전장게놈을 대상으로 경주마의 우수한 유전형질을 찾는 연구가 유전체학의 관점에서 진행되고 있다. 그 결과 말의 게놈에 대해서도 GWAS (Genome-wide Association study)가 적용되고 있고, 우수 경주능력을 나타내는 유전자 마커가 발굴되고 있다. 아울러, 특정 샘플의 전장 전사체를 NGS 기법으로 분석할 수 있는 RNA-Seq 기법 역시 활용되고 있는데, 이를 통하여 각 개체별, 운동 전후, 한 개체의 조직별 특정 유전자의 발현 양상과 함께 전사체의 서열 등을 확인할 수 있다. DNA 서열의 변화 없이 유전자 발현을 조절하는 강력한 인자로써 DNA methylation이 주목받고 있다. 말의 게놈에 있어서도 운동 특이적 또는 개체 특이적 DNA methylation 패턴을 보여 주었고, 이는 우수 개체 선정을 위한 마커 개발에 좋은 단서를 제공해 줄 것이다. 유전자 발현을 억제하는 miRNA와, 포유동물의 유전체 내 절반 정도를 차지하고 있는 이동성 유전인자는 기능유전체 연구에 있어서 중요한 인자들이다. 이들은 인간의 게놈에서 많이 연구가 되어 왔으나, 말에서의 연구는 현재 미미한 실정이다. 하지만, 현재까지 말에서 되어 있는 위의 두 인자에 대한 연구현황을 알아보고, 차후 우수 마 선별 연구에 적용될 가능성을 제시하였다. 기능유전체 및 후성유전체 분석 기법이 발전함에 따라 말에서도 본 연구에서 소개된 여러 가지 분석 기법이 적용되고, 우수한 경주마를 선정하는 데 많은 도움을 줄 것으로 기대하고 있다. 이에 현재까지의 우수한 경주마를 선택하기 위한 많은 연구들 및, 말 연구에 대한 앞으로의 발전 가능성에 대해 고찰하고 토의하였다. The horse is relatively earlier domesticated animal species. Domesticated horses have been selected for their ability of racing, robustness, and disease-resistance. As a result, the thoroughbred horse genome has been condensed many genotypes related to exercise ability. In recent years, with the advent of NGS technologies, many studies were concentrated on finding superior genetic species in the horse genome in terms of genomics. Consequently, GWAS (Genome-wide Association study) is applied to horse genome, then genetic marker is revealed for superior racing ability. In addition, RNA-Seq is utilized as a method for analyze of whole transcript profiling in specific samples. By using this approach, specific gene expression patterns and transcript sequences can be revealed in various samples such as each individual, before and after exercise state, and each tissue. DNA methylation, a strong factor that regulate gene expression without the change of DNA sequence, have got a lot of attention. In horse genome, exercise- or individual-specific DNA methylation patterns were detected, and could be useful to develop selective marker of superior horses. MicroRNAs inhibit gene expression, and transposable elements accounted for half of the mammalian genome. These two elements are the crucial factors in functional genomics, and could be applied to the selection of superior horses. As the functional genomics and epigenomics advance, then these technologies introduced in this paper were applied to select superior horses. In this paper, the studies for selection of superior horses through genetic technologies, and development possibilities of these studies were discussed.

Quantitative Expression Analysis of Functional Genes in Four Dog Breeds

Jeong-An Gim(김정안),Sang-Hoon Kim(김상훈),Hee-Eun Lee(이희은),Hoim Jeong(정호임),Gyu-Hwi Nam(남규휘),Min Kyu Kim(김민규),Jae-Won Huh(허재원),Bong-Hwan Choi(최봉환),Heui-Soo Kim(김희수) 한국생명과학회 2015 생명과학회지 Vol.25 No.8

가축화된 동물종 중 하나인 개는, 다양한 목적을 위해 인간에 의하여 선택적으로 육종되었다. 개는 많은 품종을 갖고 있고, 특정한 행동과 형태를 갖도록 인공적으로 선택되어 왔다. 개들은 그들의 삶을 안내, 구조 혹은 탐지등의 특수 목적에 대하여 인간에게 헌신하고 있다. 특수 목적견에게 요구되는 좋은 품성, 이를테면 온순함, 강건성, 그리고 인내심과 같은 특성은 그들의 특수 임무를 수행하는 데 필요하다. 많은 연구들이 우수한 특수 목적견의 선정을 위한 유전적 마커를 찾는 데 집중되었다. 본 연구에서는, 뇌에서 발현함으로써 기능하는 것으로 알려진 총 8개의 유전자(ABAT; 4-Aminobutyrate Aminotransferase, PLCB1; Phospholipase C, Beta 1, SLC10A4; Solute Carrier Family 10, Member 4, WNT1; Wingless-Type MMTV Integration Site Family, Member 1, BARX2;BarH-Like Homeobox 2, NEUROD6; Neuronal Differentiation 6, SEPT9; Septin 9 그리고 TBR1; T-Box, Brain, 1)들의 정량적인 발현 양상을 개의 네 품종의 뇌 조직에서 확인하였다. 특히, BARX2, SEPT9, SLC10A4, TBR1 그리고 WNT1 유전자들은 비글과 진돗개에서 많이 발현되는데 반하여, 삽살이와 세퍼드에서는 반대되는 발현 양상을 보여 주었다. 본 연구의 유전자들에 대한 Gene ontology (GO) 결정을 위하여 DAVID (Database for annotation, visualization and integrated discovery) 분석이 수행되었고, 이러한 유전자들이 뇌 발생과 개체의 지능에 중요한 기능을 제공할 것이라고 예상하였다. 결론적으로, 이러한 결과들을 통하여, 뇌에서의 기능과 관련된 인자들과 관련된 바이오마커를 발굴하는 데 중요한 단서를 제공해 줌과 동시에, 우수한 특수 목적견을 선발하는 데 도움을 줄 것이라 기대한다. One of the domesticated species; the dog has been selectively bred for various aims by human. The dog has many breeds, which are artificially selected for specific behaviors and morphologies. Dogs contribute their life to human as working dogs for guide, rescue, detection or etc. Working dogs requires good personality, such as gentleness, robustness and patience for performing their special duty. Many studies have concentrated on finding genetic marker for selecting the high-quality working dog. In this study, we confirmed quantitative expression patterns of eight genes (ABAT; 4-Aminobutyrate Aminotransferase, PLCB1; Phospholipase C, Beta 1, SLC10A4; Solute Carrier Family 10, Member 4, WNT1; Wingless-Type MMTV Integration Site Family, Member 1, BARX2; BarH-Like Homeobox 2, NEUROD6; Neuronal Differentiation 6, SEPT9; Septin 9 and TBR1; T-Box, Brain, 1) among brains tissues from four dog breeds (Beagle, Sapsaree, Shepherd and Jindo), because these genes were expressed and have functions in brain mostly. Specially, BARX2, SEPT9, SLC10A4, TBR1 and WNT1 genes were highly expressed in Beagle and Jindo, and Sapsaree and German Shepherd were vice versa. The biological significance of total genes was estimated by database for annotation, visualization and integrated discovery (DAVID) to determine a different gene ontology (GO) class. In these analyses, we suppose to these eight genes could provide influential information for brain development, and intelligence of organisms. Taken together, these results could provide clues to discover biomarker related to functional traits in brain, and beneficial for selecting superior working dogs.

NGS 기법을 활용한 전장게놈에서의 경제형질 관련 유전자 마커 발굴

김정안(Jeong-An Gim),김희수(Heui-Soo Kim) 한국생명과학회 2014 생명과학회지 Vol.24 No.11

가축의 고 성장률, 강건성, 질병 저항성과 같은 경제적 형질을 발굴하는 것은 매우 중요한 과제이다. 이에 경제적 형질을 발굴하기 위한 방법으로 전통적으로 RFLP, AFLP와 같은 방법이 대두되었으며, 최근 NGS 기법이 발달함에 따라 이러한 경제적 형질을 전장게놈의 수준에서 발굴하려는 노력이 계속되고 있다. 하지만, NGS 기법의 경우 상대적으로 많은 연구 비용이 필요한 실정이다. 이를 극복하기 위한 노력으로써 RNA-seq, RAD-Seq, RRL, MSG, GBS 등과 같은 기법이 활용되고 있다. 본 논문에서는 NGS 기법을 기반으로 한 최근 연구 동향을 확인하고자 하며, 특히 최소의 연구 비용으로 최대의 효과를 낼 수 있는 연구 방법을 소개하는 데 초점을 맞추었다. 또한 이러한 연구 방법이 우수한 경제형질을 가진 가축을 선정하는 데 어떻게 적용될 수 있는지에 대해 토의하였다. Developing economic traits with a high growth rate, robustness, and disease resistance in livestock is an important challenge. RFLP and AFLP are the classical methods used to develop economic traits. Whole-genome-based economic traits have recently been detected with the advent of next-generation sequencing (NGS) technologies. However, NGS technologies are rather costly for use in studies, and RNA-seq, RAD-Seq, RRL, MSG, and GBS have been used to overcome the issue of high costs. In this study, recent NGS-based studies were reviewed, particularly those that focused on minimum costs and maximum effects. Then, we presented further prospects on how to apply for selection of high economic-trait livestock.

특수 목적견으로서의 품성 및 능력 관련 유전자들에 관한 생물정보학적 분석

권윤정(Yun-Jeong Kwon),어정우(Jungwoo Eo),최봉환(Bong-Hwan Choi),최유리(Yuri Choi),김정안(Jeong-An Gim),김다희(Dahee Kim),김태헌(Tae-Hun Kim),성환후(Hwan-Hoo Seong),김희수(Heui-Soo Kim) 한국생명과학회 2013 생명과학회지 Vol.23 No.11

특수 목적견(구조견, 군견, 안내견 및 탐지견)은 집중력, 소유욕, 대담성 등을 기반으로 한 훈련시험을 통해 선별된다. 최근 특수견으로서의 특수한 능력 및 품성에 대해 유전적인 정보가 중요한 인자로 다뤄지고 있다. 본 연구에서는 특수견으로서의 개의 특수한 능력 및 품성과 관련된 유전자들의 분자적인 특징을 고찰하고자 하였다. 이전 연구에서 보고된 24개의 유전자(AR, BDNF, DAT, DBH, DGCR2, DRD4, MAOA, MAOB, SLC6A4, TH, TPH2, IFT88, KCNA3, TBR2, TRKB, ACE, GNB1, MSTN, PLCL1, SLC25A22, WFIKKN2, APOE, GRIN2B, PIK3CG)를 선택하여 품성, 후각, 운동 및 학습능력 관련 유전자, 네 가지 카테고리로 분류하였다. 본 연구에서는 생물학적인 기법을 이용하여 이 유전자들의 염색체상의 위치, 유전자들 간의 네트워크를 통한 상호관계를 조사하였으며, 어떤 생물학적 기능과 관련이 있는지 Gene Ontology 분석과 데이터베이스를 기반으로 in silico 발현 양상을 살펴보았다. 또한 이전 연구를 통하여 품성 관련 유전자들의 다양한 유전적 다형성에 대한 보고를 조사하였다. 본 연구는 특수견으로서 주요하게 고려되는 개의 고유한 능력 및 품성 관련된 유전자에 대해 분자적 특징을 제시하고 있다. 이 후보 유전자들은 개의 특수한 표현형과의 관계를 밝힐 수 있는 연구의 기초자료로서 이용될 수 있을 뿐만 아니라 핵심적인 유전인자로 응용되어 신속하고 정확한 특수견 선발에 기여할 수 있을 것으로 전망된다. Working dogs, such as rescue dogs, military watch dogs, guide dogs, and search dogs, are selected by in-training examination of desired traits, including concentration, possessiveness, and boldness. In recent years, genetic information has been considered to be an important factor for the outstanding abilities of working dogs. To characterize the molecular features of the canine genes related to phenotypes for working dogs, we investigated the 24 previously reported genes (AR, BDNF, DAT, DBH, DGCR2, DRD4, MAOA, MAOB, SLC6A4, TH, TPH2, IFT88, KCNA3, TBR2, TRKB, ACE, GNB1, MSTN, PLCL1, SLC25A22, WFIKKN2, APOE, GRIN2B, and PIK3CG) that were categorized to personality, olfactory sense, and athletic/learning ability. We analyzed the chromosomal location, gene-gene interactions, Gene Ontology, and expression patterns of these genes using bioinformatic tools. In addition, variable numbers of tandem repeat (VNTR) or microsatellite (MS) polymorphism in the AR, MAOA, MAOB, TH, DAT, DBH, and DRD4 genes were reviewed. Taken together, we suggest that the genetic background of the canine genes associated with various working dog behaviors and skill performance attributes could be used for proper selection of superior working dogs.

서러브레드 경주마와 제주마의 경주 능력 향상을 위한 유전체 분석 전략

백경완(Kyung-Wan Baek),김정안(Jeong-An Gim),박정준(Jung-Jun Park) 한국생명과학회 2018 생명과학회지 Vol.28 No.1

말을 활용한 경주는 고대 유럽의 여러 국가들에서 마차 경주 혹은 산악 경주 등의 형태로 이루어졌으며, 고대 그리스 올림픽에서 마차 경주가 정식 종목으로 채택되었다. 서러브레드종은 17세기부터 속도, 체력, 그리고 경주능력을 위해 선택적으로 교배되었다. 그 결과, 18세기부터 귀족들이 향유하는 스포츠로서 서러브레드종을 활용한 경주가 시행되었다. 이후 여러 국가에서 각기 다양한 형태로 발달하여 현재 크게 평지 경주, 장애물 경주, 마차 경주 등으로 발달하였다. 서러브레드 경주마는 300여 년 동안 강력한 선발 육종 전략에 의하여 선택되어 왔기에, 현재 우수한 경주 능력을 갖추고 있다. 말산업은 번식, 조련, 경마 등을 통하여 막대한 경제적 효과를 유발하기에, 말의 경주 능력을 유지하고 극대화하는 것이 필요하다. 최근에 많은 양의 게놈 데이터를 처리하기 위해 차세대 시퀀싱(Next Generation Sequencing; NGS)이 개발되었으며, 이 분석 기술의 현저한 발전을 토대로 우수한 형질을 가진 동물 육종 전략을 쉽게 수행 할 수 있게 되었다. 따라서 뛰어난 경주 능력을 가진 경주마를 선발 육종하기 위해서는 최신 유전체 분석 기술을 활용하는 전략이 필요하다. 본 논문에서는 경주마의 경주 능력을 향상시키기 의한 유전체 분석의 현재의 노력을 알아보고, 마지막으로 경주마와 제주마에서 유전체 분석을 활용하는 전략을 제안할 것이며, 대한민국의 생명자원인 제주마의 선발 육종 전략을 제안할 것이다. 말 산업은 기술, 사회 및 경제분야에서 인간에게 강력한 파급 효과를 주는 동물 중 하나이다. 우리는 국내 고부가가치 말의 원천적인 유전 정보를 확보하고 선발 육종 할 수 있는 체계적인 기술을 확립하여 생산, 연구 업무 등에 대한 일자리 확보에 기여 할 수 있기를 기대한다. In ancient times, horse racing was done in ancient European countries in the form of wagon races or mountain races, and wagon racing was adopted as a regular event at the Greek Olympic Games. Thoroughbred horse has been bred since 17th century by intensive selective breeding for its speed, stamina, and racing ability. Then, in the 18th century, horse racing using the Thoroughbred species began to gain popularity among nobles. Since then, horse racing has developed into various forms in various countries and have developed into flat racing, steeplechasing, and harness racing. Thoroughbred racehorse has excellent racing abilities because of powerful selection breeding strategy for 300 years. It is necessary to maintain and maximize horses" ability to race, because horse industries produce enormous economic benefits through breeding, training, and horse racing. Next-generation sequencing (NGS) methods which process large amounts of genomic data have been developed recently. Based on the remarkable development of these genomic analytical techniques, it is now possible to easily carry out animal breeding strategies with superior traits. In order to select breeding racehorse with superior racing traits, the latest genomic analysis techniques have to be introduced. In this paper, we will review the current efforts to improve race performance for racehorses and to examine the research trends of genomic analysis. Finally, we suggest to utilize genomic analysis in Thoroughbred racehorse and Jeju horse, and propose a strategy for selective breeding for Jeju horse, which contributes job creation of Korea.

암 진단 분자 마커로서 이동성 유전인자의 응용

김혜민(Hyemin Kim),김정안(Jeong-An Gim),우효정(Hyojeong Woo),홍정현(Jeonghyeon Hong),김진엽(Jinyeop Kim),김희수(Heui-Soo Kim) 한국생명과학회 2017 생명과학회지 Vol.27 No.10

현재까지 다양한 암의 발병 원인이 밝혀졌는데, 그 중 하나로써 DNA에 돌연변이가 축적되어 유전체가 불안정해짐에 따라 암이 발생될 수 있는 기작들이 주목받고 있다. 생물정보학과 유전체학의 발달에 따라 질병 연구에 있어서 보다 더 정확하고 신뢰성 있는 바이오마커를 찾는 것이 가능해졌다. 따라서, 생물정보학과 유전체학의 연구 기반을 바탕으로 한 암의 바이오마커는 암의 조기진단뿐만 아니라, 더 나아가 암 발생 예측과 암환자의 예후진단에 적용될 수 있다. 최근 들어 인간 유전체에서 약 45%를 차지하는 이동성 유전인자(transposable elements, TEs)가 유전자의 발현 조절과 DNA의 돌연변이를 유도함으로써 다양한 질병에 영향을 미친다는 사실이 밝혀짐에 따라, 이러한 이동성 유전인자들이 암의 발생과 어떤 연관이 있는지에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 따라서 우리는 이동성 유전인자가 대장암과 어떤 연관성이 있는지에 대해 조사를 하였으며, 이를 어떻게 바이오마커로 활용할 수 있는지 알아보았다. 우선, 이동성 유전인자 중 인간 유전체에 많이 존재하면서 유전체에 많은 영향을 미치는 LINE-1 (long interspersed nuclear element-1, L1)과 Alu, LTR (long terminal repeat) 위주로 확인하였다. 흥미롭게도, 대장암 세포에서 LINE-1의 저메틸화, APC 유전자 내에 LINE-1 삽입, Alu의 저메틸화와 과메틸화, LTR 삽입에 따른 isoform 발생 등이 특징적으로 나타나는 것을 알 수 있었다. 또한 원발암유전자에서의 L1 저메틸화가 대장암 전이의 바이오마커로 쓰일 수 있다는 것과 Alu에 의한 MLH1 돌연변이가 가족성 및 유전성 대장암에서 흔히 발견된다는 것을 알 수 있었다. 이 때 이동성 유전인자에 의하여 영향 받는 유전자들의 발현을 in silico 발현 분석을 통하여 분석하였으며, 조직별, 성별 특이적 발현 양상을 제시하였다. 이들을 토대로 대장암 바이오마커를 개발하여 유전성 대장암의 예측 및 대장암 진단 또는 대장암 예후 예측을 통한 개인 맞춤형 치료에 활용할 수 있을 것으로 예상된다. Until now, various oncogenic pathways were idenfied. The accumulation of DNA mutation induces genomic instability in the cell, and it makes cancer. The development of bioinformatics and genomics, to find the precise and reliable biomarker is available. This biomarker could be applied the early-dignosis, prediction and convalescence of cancer. Recently, Transposable elements (TEs) have been attracted as the regulator of genes, because they occupy a half of human genome, and the cause of various diseases. TEs induce DNA mutation, as well as the regulation of gene expression, that makes to cancer development. So, we confirmed the relationship between TEs and colon cancer, and provided the clue for colon cancer biomarker. First, we confirmed long interspersed nuclear element-1 (LINE-1), Alu, and long terminal repeats (LTRs) and their relationship to colon cancer. Because these elements have large composition and enormous effect to the human genome. Interestingly, colon cancer specific patterns were detected, such as the hypomethylation of LINE-1, LINE-1 insertion in the APC gene, hypo- or hypermethylation of Alu, and isoform derived from LTR insertion. Moreover, hypomethylation of LINE-1 in proto-oncogene is used as the biomarker of colon cancer metastasis, and MLH1 mutation induced by Alu is detected in familial or hereditary colon cancer. The genes, effected by TEs, were analyzed their expression patterns by in silico analysis. Then, we provided tissue- and gender-specific expression patterns. This information can provide reliable cancer biomarker, and apply to prediction and diagnosis of colon cancer.