Cells change their states with regulating gene expression levels mediated by various transcription factors. Transcriptional regulation can be investigated systematically by transcriptome analysis, and this study provides useful information about physiological differences between strains, additional roles of a transcription factor and for biotechnological applications as follows.
One of the most useful strains in biotechnology fields, Escherichia coli B strain has not been analyzed systematically, since the limitations of genome information and experimental techniques. In this study, the physiological differences in response to various environmental stresses including cold, heat, osmotic, acid and base shocks between E. coli K and B strains were examined at transcriptome levels using DNA microarray techniques. As a result, the strain specific differences could be understood related with transcriptional regulations. For example, membrane proteins such as transporters and sensor kinases in two-component regulatory systems showed large differences between the strains.
In specific, PhoR-PhoB two-component regulatory system was analyzed in detail. PhoB is a global regulator related with phosphate starvation response and other metabolisms variously, but it has not been investigated in E. coli at transcriptome level yet. In this study, growth-associated and PhoB- and/or PhoR-dependent expressions were characterized in response to phosphate starvation, and additional roles of PhoB, novel gene members in the Pho regulon, could be found. The protein-protein interactions among the related proteins in this regulatory system were also characterized in vivo by using fluorescence resonance energy transfer (FRET) analysis. This combined transcriptome and protein level analyses help to understand the cellular physiology and get more complete picture of the gene regulatory system in response to phosphate starvation of E. coli.
Lastly, the information about strain specific differences was tried to use for biotechnological applications. Based on the comparative transcriptome analysis, novel genes related with acid shock response could be identified. These genes showed common or strain-specific effect on acid tolerance, and this can be applied for strain improvement for enhanced acid tolerance. Focused on the differences of membrane structure between the strains, the different efficiencies of cell surface display and secretion could be observed depending on the strains. Based on transcriptome analysis about cell surface display system, strain could be improved for enhanced cell surface display and secretion.
Overall, transcription factor analysis based on transcriptome analysis using DNA microarray techniques could broaden the knowledge about cellular physiologies related with global response to various environmental stresses in E. coli. This could also be applied to rationally engineer cells on purpose.
모든 살아있는 세포는 다양한 전사 인자에 의한 유전자 발현 수준의 조절을 통해 그들의 상태를 적절하게 변화시킨다. 이런 전사 조절은 전사체 분석을 통하여 시스템 수준에서 살펴볼 수 있으며, 이런 연구는 아래와 같이 균주간의 특성을 비교하거나, 전사 인자의 새로운 기능을 밝히는데, 또는 생물공학적으로 응용하는데 중요한 정보를 제공한다.
대장균 B 균주는 생물공학적으로 유용한 균주이지만, 이에 대한 게놈 정보 부족이나 실험적인 제한 때문에 그동안 시스템적으로 분석되지 않았다. 여기서는 세포가 일반적으로 직면할 수 있는 다양한 환경 변화에 따라, 즉 주위 환경이 차갑거나 뜨겁거나 삼투압이 높아지거나 산성이나 염기성으로 변할 때, 대장균 K와 B 균주가 반응하는 게 어떻게 다른지 DNA microarray 기술을 이용하여 전사체 수준에서 살펴보았다. 이런 비교를 통해 균주 특이적인 차이들을 이해할 수 있었으며, 전사 조절의 차이와 연관지어 생각할 수 있었다. 예를 들어, 세포 막에 있는 transporter나 two-component regulatory system의 sensor kinase에서 큰 차이를 보였다.
특히, PhoR-PhoB two-component regulatory system을 자세히 살펴보았는데, PhoB는 global regulator로서 인산 부족 조건이나 다른 대사 과정에 넓게 작용을 한다고 알려져 있었지만, 아직 대장균에서 전사체 수준에서의 연구가 이루어지지 않았었다. 여기서는 인산 부족 조건에서 생장과 관련해서, PhoB와 PhoR 의존적으로 발현되는 유전자들을 살펴보았으며, Pho regulon에 있는 새로운 유전자를 밝힘으로써 global regulator로서의 PhoB의 역할을 확장할 수 있었다. 또한 관련 단백질들의 상호 작용을 fluorescence resonance energy transfer (FRET) 분석법을 통해 생체 내에서 관찰하였으며, 이런 통합 분석을 통해 인산 부족에 대한 반응으로 전사 조절이 어떻게 이루어 지는지 좀더 확실히 알 수 있었다.
위와 같은 균주간의 비교 분석을 통해 알아낸 정보들을 생물공학적으로 응용을 해보았다. 전사체 비교 분석을 통해 산 충격에 대한 반응으로 발현되는 새로운 유전자들을 찾을 수 있었으며, 이들이 균주에 따라 작용이 같거나 다를 수 있다는 것을 확인하였다. 이런 정보들은 산에 좀 더 잘 견디는 균주를 개량하는데 이용될 수 있을 것이다. 또한 두 균주가 막 부분에 차이가 많다는 것을 이용하여, 세포 표면 발현이나 분비 효율이 다르다는 것을 확인하였으며, 전사체 분석을 통해 발현이 더 잘되는 균주를 개량할 수 있었다.
결론적으로, DNA microarray 기술을 이용한 전사체 분석을 통하여 전사 인자 분석이 가능하였으며, 이는 여러가지 환경 변화에 반응하는 세포의 생리를 전체적으로 좀더 자세히 이해하는데 도움이 되었고, 세포를 목적에 맞게 변형시키는데 응용할 수 있었다.
