분열효모

분열효모; 스키조사카로미세스 폼베 (국문) Schizosaccharomyces pombe (영문)

효모의 일종으로 자낭균문에 속한다. 한 세대의 기간이 영양배지의 경우 2시간, 최소배지의 경우 4시간 내외로 짧아서 세포주기(cell cycle) 연구에 유용한 모델 진핵생물이다. 자연계에서 통상 1배체(1n)로 존재한다. 무성생식의 경우에는 이분법(분열, fission)으로 증식하며, 유성생식의 경우에는 서로 다른 교배(mating) 타입의 1배체가 융합하여 2배체를 생성한 후 자낭(ascus)에서 4개의 1배체 포자를 만들어서 증식한다. 세포의 모양은 원통형의 간형(rod)이며, 세포의 크기는 직경 3~4 μm, 길이 7~14 μm이다. 유전자 개수는 약 5,000개로 진핵세포 중 가장 적은 수의 유전자를 가지고 있다.

Schizosaccharomyces pombe의 전자현미경 사진 (출처: )

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"Schizo"는 분열을 의미하고, "pombe"는 아프리카 동부지역에 거주하는 스와힐리(Swahili)족의 언어로 맥주를 의미한다. 즉, 분열로 증식하고 맥주와 연관이 있다는 뜻이다. 분열효모는 기장으로 제조한 맥주에서 처음 발견되었지만, 그 외 포도주스, 콤부차(kombucha) 및 중동의 아락(arak) 에서도 발견된다¹⁾. 1893년 신맛이 나는 기장 맥주에서 맥주 관련 연구소에 근무하던 독일의 화학자이면서 미생물학자인 Paul Linder에 의해 최초로 보고되었고, 현재까지 약 160종의 균주가 자연계에 존재한다고 보고되었다. 현재 실험실에서 사용하고 있는 분열효모 균주의 기원은 1920년 초반 스위스의 연방포도연구소에서 일하던 Osterwalder 박사가 황화 처리가 과하게 되어 역한 냄새가 나는 프랑스 남부에서 제조된 포도주스에서 S. pombe var liquefaciens의 이름으로 최초 분리하여 네덜란드의 효모 균주 보관소에 기탁한 것이다²⁾. 1940년 후반부터 스위스의 유전학자인 Urs Leupold 박사에 의해 효모 보관소에 기탁된 균주를 활용한 유전학 연구가 시작되었고, 현재 실험실에서 사용되고 있는 이주체(heterothallic)의 교배 타입인 h90 (strain 968), h- (strain 972) 및 h+ (strain 975)를 확정지었다³⁾. 1950년대 영국의 생물학자인 Murdoch Mitchison 박사에 의하여 세포분열 및 세포주기 연구에 유용한 생명체라는 것이 인지되었고⁴⁾, 1970년대에는 2001년 노벨 생리의학상을 공동수상한 영국의 Paul Nurse 경(Sir)에 의하여 세포주기 연구에 본격적으로 활용되기 시작하였다.

미국 국립생물정보센터(NCBI)의 에 의하면 다음과 같은 분류체계를 갖는다.

분열효모 종의 다른 이름은 Schizosaccharomyces malidevorans이다. 분열효모와 더불어서 모델생명체로 활용되는 또 다른 효모균은 제빵과 맥주 발효에 사용되는 출아효모(Saccharomyces cerevisiae)이다. 하지만 두 효모의 진화학적 계통 유연관계는 상관관계가 낮다. 그 이유는 분열효모가 후생동물이나 식물과는 10~12억년 전에 분리되었고 출아효모와는 3.3~4.2억년 전에 서로 분리되었기 때문이다⁵⁾. 하지만 또 다른 논문에 의하면 분열효모와 출아효모가 이보다 빠른 11.4억년 전에 분리되었다고 하기도 한다⁶⁾.

분열효모의 염색체는 3개로 구성되어 있는데, 염색체 I은 5.7 Mb, 염색체 II는 4.6 Mb, 염색체 III 은 3.5 Mb여서 총 유전체의 크기는 13.8 Mb이다. 마이토콘드리아 유전체의 크기는 20 kb이다. 유전체 분석에 사용된 균주는 Urs Leupold 박사가 구축한 972h-이며, 2002년 영국의 웰컴트러스트-생어연구소(Wellcome Trust Sanger Institute)와 유럽의 13개 연구소가 주축이 된 분열효모 유럽 시퀀싱 컨소시엄(European Sequencing Consortium, EUPOM)이 유전체 해독을 완성하였다⁷⁾. 분석 결과에 의하면 리보솜 RNA를 구성하는 반복염기서열이 총 1.1 Mb, 3개 염색체의 중심체(centromere) 부위가 총 0.2 Mb (염색체 I, II, III 당 각 35, 65, 110 kb), 4,940종의 단백질에 해당하는 유전자 부위가 총 12.5 Mb이다. 인트론(intron)의 경우는 43%의 유전자에 총 4,730개가 존재하는데, 한 유전자에 존재하는 최대 인트론의 개수는 15개이고, 인트론의 길이는 29~819 nt 정도이다.

2010년에는 분열효모의 총유전자 약 5,000종의 유전자 결손 프로젝트가 한국생명공학연구원(KRIBB), 영국의 생어연구소 및 Paul Nurse 박사팀과의 공동연구로 완료되어, 각 유전자의 기능을 추정하는데 도움이 되고 있다⁸⁾. 

분열효모와 관련된 모든 유전체 정보는 분열효모의 유전체 염기서열 분석을 주도한 생어연구소, 캠브리지 대학(University of Cambridge)과 런던 대학교(University College London) 등이 주도하는 공공 데이터베이스인 폼베이스 (PomBase, )에 생물정보학 정보 및 관련 문헌 정보와 같이 잘 수록되어 있다. 폼베이스에 의하면 분열효모의 약 5,000종 단백질 생산 유전자 중에서 약 70%가 인간에게서도 유사종이 존재하며, 이중 약 500종은 질병과 관련이 있다고 보고되었다.

분열효모는 출아효모와 더불어 세포주기 연구의 주요 모델생명체이다. 세포분열 주기의 G1, S, G2 및 M기별 해당 시간을 살펴보면, 출아효모의 경우 출아 시기인 S기의 시간이 상대적으로 긴 반면, 분열효모는 분열 시기인 G2기의 시간이 길다.

세포분열 주기에서 G1, S, G2 및 M기가 차지하는 비율. 영양분이 적을수록 세포 내 구성성분을 만드는 S기가 길어지며, 분열 후 딸세포의 길이가 작아진다. 또한 wee1 (작다는 뜻) 돌연변이주에서는 영양분이 많아도 세포가 너무 일찍 분열을 하여 딸세포가 작아진다. (출처: )

1990년대 세포주기 조절에 관한 연구를 수행하던 Paul Nurse 경은 인산화 효소인 Cdc2 단백질이 세포주기의 S기와 M기의 진행에 중요한 엔진 역할을 한다는 사실을 규명하여 2001년 노벨 생리의학상을 공동수상하였다. 노벨상을 공동수상한 다른 두 사람은 출아효모 CDC28 유전자의 기능을 규명한 미국의 Leland Hartwell 박사와 사이클린(cyclin)의 기능을 규명한 영국의 Tim Hunt 박사이다.

출아효모와 분열효모의 세포주기 연구로 노벨상을 수상한 연구자와 유전체 관련 정보 (그림: 허광래/충남대)

생물정보학, 영양배지, 무성생식, 유성생식, 진핵세포, 계통, 유전체, 효모, 포자, 이분법

허광래/충남대학교

나도균/중앙대학교

1. PombeNet
2. Egel, R. 2004. The molecular biology of Schizosaccharomyces pombe. Genetics, Genomics and Beyond. Berlin·Heidelberg·New York: Springer-Verlag
3. Leupold, U. 1950. Die Verebung von Homothallie und Heterothallie bei Schizosaccharomyces pombe. C. R. Lab. Carlsberg 24, 381-475.
4. Mitchison, J.M. 1957. The growth of single cells. I. Schizosaccaromyces pombe. Expl. Cell Res. 13, 244-262.
5. Sipiczki, M. 2000. Where does fission yeast sit on the tree of life? Genome Biol. 1, 101 1.1-101 1.4.
6. Heckman, D.S., et al. 2001. Molecular evidence for the early colonization of land by fungi and plants. Science 293, 1129-1133.
7. Wood, V., et al. 2002. The genome sequence of Schizosaccaromyces pombe. Nature 415, 871-880.
8. Kim. D.W., et al. 2010. Analysis of genome-wide set of gene deletions in the fission yeast Schizosaccaromyces pombe. Nat. Biotechnol. 28, 617-623.