본 발명의 제1면은 서열번호 1 내지 31 중 어느 하나의 염기서열로 이루어지는 인삼(P. ginseng) 또는 화기삼(P. quinquefolius)의 마이크로새틀라이트 마커에 관한 것이다.
본 발명의 제2면은 서열번호 32 내지 59 중 어느 하나의 염기서열로 이루어지는 인삼 또는 화기삼의 마이크로새틀라이트 마커를 증폭하기 위한 프라이머에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 명세서에서, '인삼'은, 특별한 언급이 없는 한, 고려인삼(Panax ginseng)을 가리키는 것이다.
본 발명은 인삼과 화기삼 간의 유전적 변이를 확인할 수 있는 마이크로새틀라이트 마커의 개발에 관한 것이다. 본 발명에서는, 마이크로새틀라이트 마커를 개발하기 위하여, 인삼 시료를 수집하고 게놈 DNA를 추출하여, 인삼의 마이크로새틀라이트-농축 라이브러리(microsatellite-enriched library)를 제작하였다. 인삼으로부터 많은 좌위의 마이크로새틀라이트를 분리하기 위해서는 마이크로새틀라이트-농축 게놈 라이브러리를 제작하는 것이 필수적이다. 마이크로새틀라이트 프로브(probes)로는 다른 식물체에서 흔히 나타나는 2~4 bp 반복 서열 12 종류를 선택하여 사용하였다(하기 표 1 참조).
제작된 인삼의 라이브러리로부터 스크리닝을 수행하여 최소 2×105 cfu 이상의 양성 클론을 분리하였다. 라이브러리 스크리닝으로부터 얻어진 각 양성 클론으로부터 플라스미드를 추출한 후 삽입 단편의 직접적인 염기서열 분석을 통해 특정 마이크로새틀라이트 서열이 포함된 클론만을 분리하였다(하기 표 2 참조). 마이크로새틀라이트 서열을 포함하는 단편을 기초로, 각각 5'과 3'-말단에서 각 마이크로새틀라이트에 특이적인 프라이머를 설계하였다. 이때 프라이머의 길이는 20~25 bp, Tm은 58 ℃ 이상, 특히 58~65 ℃, PCR 단편의 길이는 80~200 bp 범위 내에 있도록 조정하였다(하기 표 3 참조). 이어서, 게놈 DNA를 주형으로 하여 각 마이크로새틀라이트의 증폭을 위한 최적의 PCR 조건을 확립하였다: 95 ℃ 5 분 예비가열 후, 94 ℃ 30 초, 58~65 ℃ 30 초, 72 ℃ 1 분의 35 주기를 실시하고, 72 ℃에서 7 분간 최종 연장 반응시킴. 각 마커의 다형성 상태를 결정하기 위하여 PCR 산물을 5% 변성 폴리아크릴아마이드 젤 전기영동한 후 은 염색 방법에 의해 가시화하였다(도 1 참조). 마이크로새틀라이트 유전자형을 자동 서열분석기 프로그램으로 분석하여 대립형질의 종류 및 유전자형을 분석하고, 인삼과 화기삼을 식별할 수 있는 유전적 마커를 선별하였다(하기 표 4 및 도 2a 내지 2d 참조).
이하, 본 발명을 실시예에 의해 보다 구체적으로 설명하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 어떤 식으로든 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1: 인삼 시료의 준비 및 게놈 DNA 추출
배양된 인삼의 시료를 한국의 금산, 서울, 공주, 대구 및 대전의 몇몇 시장에서 구입하였다. 화기삼 시료는 한국의 KT&G 중앙연구소로부터 수득하였다. 인삼 시료를 액체질소로 급속냉동한 후 멸균된 분쇄도구를 이용하여 완전히 가루가 될 때까지 분쇄하였다. DNA 분리용 키트(DNeasy plant isolation kit, 퀴아젠(QIAGEN), USA)를 제조자의 지시에 따라 사용하여 DNA를 분리하였다.
실시예 2: 마이크로새틀라이트-농축 라이브러리의 제작
인삼 마이크로새틀라이트-농축 라이브러리를 문헌 [Hamilton et al (1999) Universal linker and ligation procedures for construction of genomic DNA libraries enriched for microsatellites, Biotechniques 27, 500-502, 504-507] 및 [Fischer and Bachman (1998) Microsatellite enrichment in organisms with large genomes (Allium cepa L.) Biotechniques 24, 796-800, 802]로부터 변형된 방법을 이용하여 제조하였다.
실시예 1에서 얻은 인삼의 게놈 DNA를 Sau3A1 제한효소를 이용하여 분해하고 Sau3A1 특이적 어댑터로 결찰하였다. 어댑터는 두 올리고뉴클레오타이드 A 및 B를 어닐링하여 제조하였다(올리고-A: 5'-GGCCAGAGACCCCAAGCTTCG-3'(서열번호 60); 올리고-B: 5'-GATCCGAAGCTTGGGGTCTCTGGCC-3'(서열번호 61)). 어댑터-결찰된 DNA 단편을 아가로스 젤 용출에 의해 크기-분획화(0.2~1.0 kb)한 후, 표 1에 나타낸 바와 같은 각각 특이적인 반복 서열을 갖는 12종의 5'-바이오티닐화된 올리고뉴클레오타이드와 혼성화하였다.
마이크로새틀라이트-농축 라이브러리 제작을 위한 5'-바이오티닐화 올리고뉴클레오타이드
반복 단위 |
올리고머 서열(5'-바이오틴→3') |
디-nt 반복 |
(AT)15,(AC)15,(AG)15 |
트리-nt 반복 |
(ACC)10,(TAA)10,(CAA)10,(GAA)10,(ACG)10 |
테트라-nt 반복 |
(AAAG)7,(AGAT)7,(AAAT)7,(ACAT)7 |
혼성화 후, 혼합물을 스트렙타비딘으로 코팅된 마그네틱 비드(프로메가(Promega) Z5200, USA)와 33 ℃에서 2 시간 동안 온화하게 진탕하면서 인큐베이션하였다. 비드를 아래 순서로 세척하였다: 실온에서 낮은 엄격도(stringency) 완충액(6×SSC, 0.1% SDS)으로 2회, 40 ℃에서 높은 엄격도 완충액(1×SSC, 0.1% SDS)으로 2회 및 50 ℃에서 동일한 완충액으로 2회 반복. 그 후, 95 ℃에서 2 분간 가열하여 마그네틱 비드로부터 마이크로새틀라이트 모티프를 갖는 DNA 단편을 용출하였다(10 mM Tris, pH 7.5). 용출된 DNA 단편을 pGEM-T 이지 벡터(프로메가, USA)로 클로닝하여, E. 콜라이(E. coli) DH10B(집코 BRL(Gibco BRL), USA)의 형질전환에 사용하였다.
실시예 3: 라이브러리 스크리닝
실시예 2에서 얻은 형질전환체를 LB 브로쓰, 1.5% 아가, 앰피실린(50 ㎎/㎖), X-gal(20 ㎎/㎖) 및 IPTG(isopropylthio-β-D-galactoside)(200 ㎎/㎖)를 함유하는 150 ㎜ 플레이트 상에 도말하였다. 플라스미드 DNA를 플라스미드 미니-프렙 키트(솔젠트(SolGent), 한국)를 이용하여 백색 콜로니의 각 배양액으로부터 분리하였다. 각 플라스미드 DNA를 EcoRⅠ으로 분해하고 1.5% 아가로스 젤에서 가시화하여 삽입체 DNA의 크기를 결정하였다. 각 삽입체를 T7 및 SP6 유니버설 프라이머를 이용하는 ABI 3100 자동 서열분석기(어플라이드 바이오시스템즈(Applied Biosystems), USA)를 이용하여 서열분석하였다. 인삼 마이크로새틀라이트-농축 게놈 라이브러리의 스크리닝 과정을 요약하여 나타내면 표 2와 같다.
인삼 마이크로새틀라이트-농축 게놈 라이브러리 스크리닝의 요약
스크리닝 단계 |
시료 수 |
비고 |
라이브러리 제작 |
2×105 cfu |
독립적 콜로니 |
백색 콜로니로부터의 플라스미드 정제 |
2,119 |
무작위 선별 |
삽입체 분리(EcoRⅠ 분해) |
1,944 |
삽입체 검출율: 91.7% |
플라스미드 서열분석 |
1,944 |
|
마이크로새틀라이트 모티프의 동정 |
642 |
마이크로새틀라이트 포함 비율: 33.0% |
비-중복 마이크로새틀라이트 모티프 |
251 |
|
유전자형 분석 |
94 |
|
실시예
4:
마이크로새틀라이트
-특이적
프라이머
설계 및
PCR
증폭
반복 모티프의 연결(flanking) 서열을 특이적 프라이머를 설계하는데 사용하였다. 마이크로새틀라이트 특이적 프라이머 쌍을 아래 기준에 따라 설계하였다: 길이 20~25 bp, 용융점 58 ℃ 이상, PCR 산물길이 80~200 bp. PCR을 0.5 유닛 Taq DNA 중합효소, 2.5 mM dNTP, 1.5 mM MgCl2, 20 ng 게놈 DNA, 10 pmol 프라이머 및 1× 공급 완충액(pH 9.0)을 함유하는 20 ㎕의 반응 혼합물에서 써멀 사이클러(퍼킨-엘머(Perkin-Elmer) 9700, USA)를 이용하여 실시하였다. PCR 반응 조건으로는 95 ℃ 5 분 예비가열 후, 94 ℃ 30 초, 58~65 ℃ 30 초, 72 ℃ 1 분의 35 주기를 실시하고, 72 ℃에서 7 분간 최종 연장 반응시켰다. PCR 반응이 완료된 후, 1.2% 아가로스 젤에서 전기영동하여 증폭상태를 확인하였다.
실시예 5: 마이크로새틀라이트의 유전자형 분석
100종의 인삼 시료를 각 마커의 다형성 상태를 결정하기 위하여 유전자형 분석하였다. PCR 산물을 동일 부피의 2× STR 로딩 완충액(프로메가, USA)과 혼합하였다. 이들 혼합물을 95 ℃에서 2 분간 가열한 직후, 얼음에 담가 신속하게 냉각시켰다. 전기영동을 1× TBE 완충액 중 7 M 우레아를 함유하는 5% 변성 폴리아크릴아마이드(아크릴아마이드:비스아크릴=19:1) 젤(T: 0.4 ㎜×L: 40 ㎝)을 이용하여 1600 V의 일정한 전압에서 2~4 시간 동안 수행하였다. DNA 밴드를 DNA 은 염색 키트(프로메가, USA)를 이용하여 은 염색 방법에 의해 가시화하였다. 즉, 전기영동 완료 후, 젤을 10% 에탄올에 20 분간 고정시키고 1% HNO3 용액에 10 분간 담근 후, 염색 용액(질산은 1 g, 37% 포름아마이드 1.5 ㎖/ℓ)에 30 분간 부드럽게 흔들어 주면서 둔 후 증류수로 가볍게 헹구어 주었다. 그 후 현상 용액(탄산나트륨 30 g, 37% 포름알데히드 900 ㎕, 1% 티오황산나트륨 500 ㎕/ℓ)을 처리하여 밴드가 나타날 때까지 둔 후, 10% 아세트산으로 반응을 중단시켰다.
인삼 시료의 유전자형 분석 결과, 14종의 마커 PQ49(서열번호 1), PG307(PG307a: 서열번호 2, PQ307: 서열번호 3, PQ307a: 서열번호 4), PG465(PG465a: 서열번호 5, PQ465: 서열번호 6), PG525(PG525a: 서열번호 7, PQ525: 서열번호 8), PG557(PG557a: 서열번호 9, PQ557: 서열번호 10, PQ557a: 서열번호 11), PG578(PG578: 서열번호 12, PQ578: 서열번호 13), PG628(PG628: 서열번호 14, PQ628: 서열번호 15), PQ656(서열번호 16), PG785(PG785: 서열번호 17, PG785a: 서열번호 18, PQ785: 서열번호 19), PQ1058(서열번호 20), PG1129(PG1129a: 서열번호 21, PQ1129: 서열번호 22, PQ1129a: 서열번호 23, PQ1129b: 서열번호 24), PG1306(PG1306a: 서열번호 25, PQ1306: 서열번호 26), PG1335(PG1335: 서열번호 27, PQ1335: 서열번호 28, PQ1335a: 서열번호 29) 및 PG1886(PG1886: 서열번호 30, PQ1886: 서열번호 31)이 인삼과 화기삼 간에 유전적 변이를 나타내었다. 이들 다형성 마커의 프라이머 서열, 어닐링 온도, PCR 산물 크기를 표 3에 나타내었다.
각 마이크로새틀라이트 마커의 증폭에 사용된 프라이머 서열, 어닐링 온도 및 PCR 산물 크기
위치 |
프라이머 서열(5' → 3') |
Tm(℃) |
크기(bp) |
PQ49 |
F R |
TATGGAAGACCACACCTGCA (서열번호 32) GAGCCCCTTACTGCTAGTTTAC (서열번호 33) |
62 |
92 |
PG307 |
F R |
CATTACATACTACTCTCCCAC (서열번호 34) TATCTATACATTAATCTCCAAC (서열번호 35) |
55 |
120-130 |
PG465 |
F R |
CATTTAAATACAAACCCCCTTCTTC (서열번호 36) CAGAGCTATATTACATTACACCCAA (서열번호 37) |
60 |
99-116 |
PG525 |
F R |
GCAACATACAACAGCAACAACC (서열번호 38) CCTGTACATCATATGACCAAGGG (서열번호 39) |
60 |
95-111 |
PG557 |
F R |
CCAGCCAAATGAGGTGTACTTTG (서열번호 40) GAGGAGAAAGAAGAAAGATACTCCG (서열번호 41) |
60 |
154-166 |
PG578 |
F R |
GCAACTCCAGGCATAGAAAAATAC (서열번호 42) GCTGAAGTGCCGTTGGTGTG (서열번호 43) |
60 |
180-182 |
PG628 |
F R |
CAGAATTACTGTGGAGGAGGAG (서열번호 44) GGCTGTGGCTTGTGCTTTTGCT (서열번호 45) |
62 |
113-125 |
PQ656 |
F R |
ATGAGAAGAGTGAGTAGATGATTA (서열번호 46) TGATGTTATTGATGATATGAGAGA (서열번호 47) |
56 |
164 |
PG785 |
F R |
GTGATAACATTCAATAAGAAAGTG (서열번호 48) GACTGTACATAGATACGTTCCATC (서열번호 49) |
58 |
89-101 |
PQ1058 |
F R |
CATTTTAACTCGTTGCAGGCGCATC (서열번호 50) GTGGGACTGAGATTTTAAACACACA (서열번호 51) |
60 |
119 |
PG1129 |
F R |
GTTGGATGAACCTGAGCAAAG (서열번호 52) CCTAGTTGGCTTGTCCCGTTC (서열번호 53) |
60 |
88-111 |
PG1306 |
F R |
GTAAGGAAGAAGCTCCTTAACAG (서열번호 54) GATAAGGAATAGAGTTAATTGGGG (서열번호 55) |
60 |
138-153 |
PG1335 |
F R |
AGAGACAAAGTGAAGCACCAACGG (서열번호 56) CGTGATTGCCTGAATGCACGTATT (서열번호 57) |
58 |
174-178 |
PG1886 |
F R |
CCAATCAACTCAGTATGTGTCAT (서열번호 58) GAATTAACATTGCTCTTATATCCC (서열번호 59) |
60 |
168-180 |
실시예
6:
대립형질
구조의 결정
정확한 대립형질 크기 및 반복 구조를 은 염색된 젤로부터 각각 용출된 DNA를 서열분석하여 결정하였다. 대립형질 명칭은 기본적으로 반복체의 수에 의해 정해졌다. 각 마커의 대립형질의 명칭과 반복 구조를 표 4에 나타내었다.
도 1에 인삼과 화기삼간에서 다형성을 나타내는 마이크로새틀라이트 마커의 5% 변성 폴리아크릴아마이드 젤 전기영동 사진을 나타내었다(A: PQ49, B: PG307, C: PG465, D: PG525, E: PG557, F: PG578, G: PG1129, H: PG628, I: PQ656, J: PG785, K: PQ1058, L: PG1306, M: PG1335, N: PG1886). 각 도면의 좌측에 나타낸 숫자는 마이크로새틀라이트 마커의 반복 구조에 따른 대립형질 명칭을 나타낸다. 레인 1~5는 각각의 독립적인 인삼에서 나타나는 각 마커의 양상을 보여주며, 레인 6은 화기삼에서 나타나는 마커의 양상이다. 또한, 도 2a 내지 2d에 각 마이크로새틀라이트 마커의 염기서열을 나타내었다(적색: 프라이머 부분).