[논문 리뷰] Genomic Sequence Diversity and Population Structure of Saccharomyces cerevisiae Assessed by RAD-seq

Gareth A. Cromie, Katie E. Hyma외 7명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 20.

Fermentation and Sensory Analysis참고 문헌 31인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 262개의 전 세계 *Saccharomyces cerevisiae* 균주를 대상으로 RAD-seq를 사용하여 유전적 다양성과 집단 구조를 분석하여, 지리적 배경에 따라 크게 갈라지는 유전적 분화—유럽, 북미, 아시아, 아프리카/남동아시아 집단—을 규명하였으며, 코코아, 올리브, 사케 발효에서 유래한 고유한 계통도 확인되었다. 실험실 균주가 전 세계 유전적 다양성의 약 25%만 포괄하고 있음을 입증하여, 지리적 분화 이후 인간에 의한 유전자 교배가 주로 유럽과 아시아 균주 간에 발생한 모델을 지지한다.

ABSTRACT

The budding yeast Saccharomyces cerevisiae is important for human food production and as a model organism for biological research. The genetic diversity contained in the global population of yeast strains represents a valuable resource for a number of fields, including genetics, bioengineering, and studies of evolution and population structure. Here, we apply a multiplexed, reduced genome sequencing strategy (known as RAD-seq) to genotype a large collection of S. cerevisiae strains, isolated from a wide range of geographical locations and environmental niches. The method permits the sequencing of the same 1% of all genomes, producing a multiple sequence alignment of 116,880 bases across 262 strains. We find diversity among these strains is principally organized by geography, with European, North American, Asian and African/S. E. Asian populations defining the major axes of genetic variation. At a finer scale, small groups of strains from cacao, olives and sake are defined by unique variants not present in other strains. One population, containing strains from a variety of fermentations, exhibits high levels of heterozygosity and mixtures of alleles from European and Asian populations, indicating an admixed origin for this group. In the context of this global diversity, we demonstrate that a collection of seven strains commonly used in the laboratory encompasses only one quarter of the genetic diversity present in the full collection of strains, underscoring the relatively limited genetic diversity captured by the current set of lab strains. We propose a model of geographic differentiation followed by human-associated admixture, primarily between European and Asian populations and more recently between European and North American populations. The large collection of genotyped yeast strains characterized here will provide a useful resource for the broad community of yeast researchers.

연구 동기 및 목표

• 전 세계적으로 다양한 균주를 대상으로 *Saccharomyces cerevisiae*의 게놈 서열 다양성과 집단 구조를 특성화하는 것.
• 일반적으로 사용되는 실험실 균주가 얼마나 많은 유전적 다양성을 포괄하고 있는지 평가하는 것.
• 인간 활동이 교잡을 통해 효모 집단 구조에 미친 영향을 조사하는 것.
• 코코아, 올리브, 사케 발효와 같은 특정 환경적 생태적 환경에 관련된 고유한 계통별 유전자 변이를 식별하는 것.

제안 방법

• 262개의 *S. cerevisiae* 균주에서 1%의 감소된 표준화된 게놈을 다중화된 RAD-seq로 시퀀싱하였다.
• 모든 균주에서 RAD-seq 유전자위를 기반으로 116,880개의 정렬된 염기서열을 포함한 다중 서열 정렬을 생성하였다.
• 인구유전학적 분석을 통해 지리적 및 생태적 집단 간의 집단 구조와 유전적 분화를 추론하였다.
• 주요 성분 분석과 계통수 재구성 기법을 적용하여 유전적 다양성의 축과 계통 관계를 시각화하였다.
• 실험실 균주의 유전적 다양성과 전체 글로벌 수집자료를 비교하여 대표성 수준을 정량화하였다.
• 유전자 빈도와 이형성 패tern을 기반으로 지리적 분화 이후 인간 관련 교잡 사건이 발생한 모델을 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 *Saccharomyces cerevisiae*의 게놈 다양성이 전 세계 지리적 지역과 환경적 생태적 환경 간에 어떻게 구조화되어 있는가?
• RQ2 일반적으로 사용되는 실험실 균주가 *S. cerevisiae* 종의 전체 유전적 다양성을 어느 정도 대표하고 있는가?
• RQ3 특히 발효 관련 계통에서 인간에 의한 교잡이 발생했음을 뒷받침하는 증거는 무엇인가?
• RQ4 코코아, 올리브, 사케 발효와 같은 특정 생태적 기원과 관련된 고유한 유전자 변이가 존재하는가?
• RQ5 전 세계적으로 분포된 *S. cerevisiae* 균주의 인구유전학적 구조는 무엇이며, 역사적 이동과 적응을 어떻게 반영하고 있는가?

주요 결과

• *Saccharomyces cerevisiae*의 주요 유전적 다양성 축은 주로 지리적 배경에 의해 결정되며, 각각 유럽, 북미, 아시아, 아프리카/남동아시아 집단에 해당하는 명확한 클러스터가 존재한다.
• 코코아, 올리브, 사케 발효에서 유래한 균주는 다른 집단과는 다르게 발견되지 않는 고유한 유전자 변이를 지닌 고유한 계통을 형성한다.
• 발효 관련 집단은 높은 이형성과 유럽 및 아시아 계통의 혼합된 유전자를 보이며, 이는 이들이 하이브리드 기원을 가졌음을 시사한다.
• 일반적으로 사용되는 7개의 실험실 균주는 전체 글로벌 균주 수집자료에서 관찰된 총 유전적 다양성의 약 25%만 포괄하고 있다.
• 자료는 초기 지리적 분화 이후 인간에 의해 이끌어진 교잡이 발생했음을 지지하는 모델을 뒷받침하며, 특히 유럽과 아시아 집단 간, 그리고 최근에는 유럽과 북미 집단 간의 교잡이 두드러진다.
• 262개의 균주로 구성된 크고 잘 정제된 수집자료는 향후 효모 유전학, 진화, 생물공학 연구를 위한 종합적 기반 자료로 기능한다.