Fungal Molecular Genetics Lab
곰팡이 분자유전학 연구실
Gyeongsang National University
GNU Bldg. 27, Rm518, 501 Jinju-daero, Jinju 52828, Korea (sites.google.com/view/FMGL-GNU)
Embedded Files
February 2025: Two papers submitted to 'Fungal Biology Reviews' and 'Journal Microbiology'.
January 2025: A paper "Targeted insertion of heterogenous DNA using Cas9-gRNA ribonucleoprotein-mediated gene editing in Ganoderma lucidum" is accepted ( Bioengineered).
January 2025: A review paper about mycelia-based products is published in Bioresources and Bioprocessing.
December 2024: Dr. Yanjiao Zhang from Qingdao Agricultural University visits FMGL for three months.
December 2024: A paper on gene editing of Ganoderma has been accepted (Journal of Microbiology).
October 2024: A paper on phenylacetate degradation has been published in Microbiological Research.
August 2024: Lab members presented three papers at IMC12 in the Netherlands.
July 2024: Three papers were submitted.
February 2024: Mr. Han moved to Amicogen after finishing his MSc Degree.
January 2024: Prof. Ro has been appointed as the president of the Korean Mycological Society.
December 2023: Two papers are submitted. (Fingal diversity of Namgang, P. variotii gene editing)
October 2023: Our lab data were presented at the Asian Mycological Congress 2023.
July 2023: Our paper on Ganoderma lucidum gene editing is published in Scientific Reports
June 2023: An interesting article on mushroom leather --> https://v.daum.net/v/20230628185126286
June 2023: Dr. Siinil Kim moved to the National Institute of Biological Resources (NIBR).
April 2023: Our paper on Agaricus bisporus PPO1 gene editing is published in Scientia Horticulturae. It is the first step toward our ultimate goal.
February 2023: A paper on the mating type loci in Agaricus bisporus is published in Journal of Fungi.
February 2023: A paper on the Pleutotus ostreatus gene editing using RNP conducted by Prof. Honda at Kyoto Univ in which we are joined as coauthors is published in FEMS microbiology letters.
Lab Interests
곰팡이는 유기물의 분해를 촉진하는 중요한 분해자입니다. 그들은 식물과 동물에게 병원체로서 포함되며, 항생제 및 항암제와 같은 유익한 화학물질의 생산자입니다. 곰팡이 분자유전학 연구실은 곰팡이의 다양한 측면과 관련된 분자유전학 연구에 참여하고 있습니다. 이는 야생곰팡이의 유전적 다양성, 교배과정 및 관련 유전자, 곰팡이 생존을 지배하는 유전자의 편집, 지속 가능한 미래를 위한 곰팡이의 새로운 응용을 연구하는 것을 포함합니다.
Gene editing in mushrooms
Gene editing in mushrooms
유전자 편집은 특정 유전자에 변이를 가하여 목표하는 형질을 나타내게 하는 기술입니다. 이 기술은 자연돌연변이와 유사하게 유전자변이를 유발할 수 있어서 인공적으로 생물진화를 유도하는 기술이라 할 수 있습니다. 2016년 Nature 기사에는 양송이버섯이 미국 FDA의 GMO 규제를 벗어난 최초의 유전자 편집 생물체라는 내용을 소개하고 있습니다. www.nature.com/articles/nature.2016.19754
Alternatives for fossil fuel
Alternatives for fossil fuel
버섯을 새로운 소재로 활용하려는 움직임이 최근 몇 년간 start-up 기업들을 중심으로 이루어지고 있습니다. 이러한 움직임은 버섯 대체가죽(mushroom skin), 대체육(alternative meat), 복합소재(biocomposite) 등으로 진행되는데, 이 기사는 버섯 균사체를 이용한 대체가죽을 소개하고 있습니다. 동물성 가죽을 얻기 위한 축산의 과정은 온실가스 발생, 환경파괴, 동물윤리 등 다양한 사사회적 이슈를 내포하기 때문에 화석연료에 의존하는 물질소재를 대체하는 버섯의 소재화는 앞으로 더 활발해질 것으로 생각됩니다. www.nytimes.com/2022/12/14/business/leather-fake-mycelium-mushrooms-fashion.html
Exploring mushrooms
Exploring mushrooms
버섯은 3억년 전 즈음에 출현한 다세포 생명체로서 대부분 토양이나 죽은 나무 같은 기질 내부에서 균사의 형태로 생활합니다. 온도, 습도, 태풍, 영양분 고갈 같은 환경변화는 버섯균사에 환경탈출의 신호가 되어 육안으로 보이는 자실체를 형성, 확산 수단인 포자를 만들게 합니다. 버섯은 죽은 식물을 분해하는 강력한 산화효소를 생산하여 지구탄소순환에서 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 또한 생태환경에 적응하는 과정에서 다양한 생리학적 물질들을 만들어서 인간생활에 사용되고 있습니다. 링크한 Paul Stamets 의 ecoFarm comference 강의를 보시면 일반인들도 혹할 만큼 재미있게 버섯을 소개하고 있습니다. www.youtube.com/watch?v=t8DjeaU8eMs&list=WL&index=18
Theme I: Diversification of genetic information
곰팡이 유전 정보의 다양화는 염색체 및 미토콘드리아 정보의 비교 분석을 통해 접근해 왔습니다. 우리 연구실은 이를 통해 곰팡이 유전체 정보가 mobile element, 플라스미드 서열, 반복 서열, SNPs 등의 DNA 분자 변형을 통해 다양화된다는 것을 발견했습니다.
Mushroom mating behavior
Mushroom life cycle: 담자균은 생활사의 대부분을 기질의 내부에서 균사로 자라며 보내지만 환경조건의 변화에 따라 유성생식 포자를 만들기 위한 자실체를 일시적으로 만듭니다.
Genes in the mating: 유성생식을 지배하는 유전자는 A 와 B mating type locus에 존재하며, 교배에서는 이들 상호간의 물리적 결합에 의한 활성화 ( reciprocal activation) 가 필요합니다.
Tetrapolar mating system: A 와 B mating type locus는 각각 두 개의 대립유전자좌로 구성되며, 유성생식포자들은 각 하나의 A와 B를 가지므로 포자들의 교배형은 A1B1, A2B1, A1B2, A2B2 등 4개의 조합을 가진다.
A, B mating type 이 상이한 조합을 가진 단핵균사간의 교배를 통하여 새로운 품종을 만들 수 있다. 그러나 표현형을 알기까지 수개월의 시간이 소요된다.
A mating type locus diversity in Lentinula edodes
Structure of the A mating type locus in Lentinula edodes: 표고버섯에서 A 교배형좌를 동아시아에서 수집된 127 균주에서 A 교배 유형 부위를 분석함으로써 이해하게 되었습니다. HD2-중간영역- HD1의 5 '영역을 포함하는 약 1 Kbp의 고변동 서열 영역이 A 교배 유형을 개별적으로 나타낼 수 있다는 것을 포괄적인 교배 분석을 통해 입증되었습니다.
Preferred selection and rapid evolution: 재배균주에서는 특정 A 교배형이 반복적으로 나타났으며, 이는 특정 A 교배형이 더 나은 버섯 품질을 위해 선호되는 것을 시사합니다 (preferred selection). 반면, 야생 균주에서는 매우 다양합니다. 한반도 산지에서는 36 개의 독특한 A 유전자가 발견되었습니다. 이는 야생환경에서는 A 교배형이 신속진화(rapid evolution)함을 나타냅니다.
B Mating type diversity in Lentinula edodes
Pheromone and pheromone receptor genes: B 교배형좌는 페로몬 및 페로몬 수용체 유전자로 구성됩니다. Lentinula edodes에서는 유전체 서열 분석 및 교배 실험을 기반으로 여러 개의 B 교배 유형이 제안되었습니다. Ba sublocus의 rcb1 (rcb1-1 ~ rcb1-5) 대립유전자 5 개와 연관페로몬 9 개, Bb sublocus의 rcb2 (rcb2-1 ~ rcb2-3) 대립유전자 3 개와 연관 페로몬 5 개가 발견되었습니다. 각 rcb는 주로 2 개의 phb와 관련되어 있습니다. 각 phb-rcb 쌍은 서브 염색체와 관계없이 다양한 단핵체 및 이분법 균주에서 구별된 단위로 재발견되었습니다. 이를 통해 5 개의 Ba와 3 개의 Bb 서브 염색체의 조합을 통해 15 개의 B 교배형을 제안하였습니다.
Mating type structure in Pleurotus eryngii
Complete structures of the mating type loci in Pleurotus eryngii: 새송이버섯 A mating type locus에서 A3 및 A4 allele과 B mating type locus에서 B3 및 B4 allele의 완전한 구조가 비교 서열 분석을 통해 검증되었습니다. A3 locus의 HD1 및 HD2 유전자에서 각각 2개의 intron 손실이 관찰되었습니다. actinomycin D 처리된 샘플 조사에서는 intron이 없는 HD2-A3가 intron을 포함한 HD 유전자보다 안정적인 것으로 나타났으며, intron 손실이 RNA 전사체의 안정성에 기여한다는 것을 시사했습니다. B4 mating type locus는 B3 mating type locus와 비교하여 2.6 Kbp로 축소되었습니다. B4 locus는 두 개의 교배 페로몬 수용체 유전자 STE3.3.2 '와 STE3.3.5로 이루어져 있으며, 세 개의 관련 교배 페로몬 유전자 (PHB3.5, PHB3.6 및 PHB3.7)가 있습니다. 반면 B3 locus는 네 개의 교배 페로몬 유전자 (PHB3.1-PHB3.4)와 함께 세 개의 교배 페로몬 수용체인 STE3.3.1, STE3.3.2 및 STE3.3.4로 구성되어 있습니다. B3의 STE3.3.1 및 STE3.3.2는 B4의 STE3.3.2 '와 높은 유사성을 보이며, 이는 B3 mating type locus의 STE3.3.1-STE3.3.2를 압축하여 B4의 STE3.3.2 '을 생성하는 유전자 축소의 발생을 시사합니다.
Mating type structure in Agaricus bisporus
Structures of the A mating type locus in Agaricus bisporus: 양송이버섯 단핵 균주 H39과 H97의 A 교배형 부위를 서열 비교를 통해 분석되었다. 두 염색체좌는 Region 1과 Region 2로 지칭되는 두 서열 영역에서 주요한 차이를 보였다. H97은 H39와 달리 Region 1에 TSDs, TIRs, 루프 서열로 구성된 DNA transposon이 있었다. Region 2는 H97와 H39 사이에서 세 개의 상동 서열을 공유했다. 그러나, 첫 번째와 두 번째 상동서열 사이에 H97에서만 큰 삽입 서열이 발견되었다. Region 1의 길이 차이는 PCR을 통한 단핵균의 식별을 가능하게 하였다. 이 연구는 A. bisporus H97의 A 교배 유형 부위가 이동형의 삽입을 통해 진화하면서, 교배 유형의 구분과 따라서 A. bisporus H97과 H39의 핵 유형을 구분할 수 있게 되었다는 것을 제시한다.
Mitochondrial DNA diversification
Evolution of mitochondria: 미토콘드리아 DNA(mtDNA)의 진화는 진핵세포 유전체정보의 진화에서 흥미로운 주제 중 하나입니다. Lentinula edodes의 21 균주의 mtDNA를 조립하여 서열내 변일르 조사하였습니다. 그 결과, mtDNA 크기의 변이는 대부분 intron, 반복 서열, mobile element 및 플라스미드 관련 서열의 수에 기인합니다. 인트론의 손실 및 획득은 cox1, rnl 및 rns에서 발견되었으며이는 homing nuclease 활성에 기인하는 것으로 추측됩니다. TEs는 평균적으로 mtDNA 크기의 11.04%를 기여하며, 반복 서열은 mtDNA의 4.6%를 차지하는 것으로 조사되어 mtDNA 진화에 상당한 기여를 하였습니다. 플라스미드 관련 서열이 최소 2개의 영역에서 발견되었습니다. 이들은 주로 pol 유전자의 삽입과 관련있어 보입니다. 이러한 결과는 mtDNA가 균주 수준에서 DNA 단편의 삽입/삭제와 반복에 의해 지속적으로 진화하는 동적인 분자임을 보여줍니다.
Evolution of cox1 in the mtDNA
Evolution of rnl in the mtDNA
Structure of Mitochondrial DNA
Variable number tandem repeats (VNTRs) in mitochondrial DNA (mtDNA): 미토콘드리아 DNA(mtDNA)에서 VNTRs은 mtDNA 변이의 역할과 유전자 마커로의 응용 가능성 때문에 관심을 받고 있습니다. L. edodes mtDNA 에는 두 가지 범주의 VNTRs가 존재한다. I형 VNTR은 대칭 분포에서 두 가지 유형의 반복 단위로 구성되어 있으며, II형 VNTR은 7 또는 17-bp DNA 서열의 연속적인 반복을 포함하는데, 반복 단위 수는 mtDNA에 따라 가변적이다. 우리는 VNTR의 변이를 미토콘드리아 마커로, 그리고 A 교배 유형을 핵 마커로 사용하여, dikaryon의 두 개 중 하나의 핵이 우선적으로 단핵 세포질로 들어가 새로운 dikaryon을 형성하면서 단핵 세포의 미토콘드리아를 유지하는 것을 밝혔다. 흥미롭게도, 22개의 짝 중 6개의 VNTR에서 새롭게 추가된 반복 단위가 발견되어, mtDNA 복제 중 VNTR의 연장이 발생한다는 것을 보여주고 있다. 이를 통하여 반복 패턴의 비교 분석과 함께 기본 반복 단위인 5'-TCCCTTTAGGG-3' 및 그 상보적 서열 (5'-CCCTAAAGGGA-3')의 삽입를 통해 I형 VNTR의 연장을 설명하는 기작 모델을 제안하였다.
Repeat generation in the mtDNA
Theme II: Fungal gene editing
Fungal gene editing has been our major focus last few years. We succeeded in the generation of edited Agaricus bisporus mushroom using chromosome-integrated Cas9 and gRNA. We also did a successful editing of Ganoderma lucidum through Cas9-gRNA ribonucleaprotein complex with an efficiency better than the plasmid-mediated editing.
Agaricus bisporus gene editing by ATMT (Sci. Horticult. 2023)
양송이버섯 갈변유전자를 유전자 교정기술로 삭제하여 갈변저항성균주를 제작하였다. 이 결과는 양송이버섯 최초의 유전자교정체논문으로 Scientia Horticulturae 에 2023년 발표되었다.
Ganoderma lucidum gene editing by Cas9/gRNA ribonucleoprotein complex (Sci. Rep. 2023)
영지버섯의 RNP 기반 유전자교정기술을 본격 개발하였다. 버섯균의 유전자교장의 문제점을 분석하여 2023년 Sci Rep 에 발표하였다.
2024년 1월-4월 학부생 졸업논문실험으로 영지버섯교정체의 재배실험을 진행하였다. PyrG 유전자 삭제 교정체의 성장이 억제됨을 보여준다.
Gene editing in Cordyceps (in preparation)
Gene editing in thermophilic fungus (in preparation)
Gene editing in Fomitella fraxinea (in preparation)
Theme III: Fungal applications
Fungi are everywhere. They can make various organic compounds as secondary metabolites, some of which are utilized as antibacterial, anticancer, and immun-modulating drugs. Applications have been further expanded by recent efforts to employ them as alternative materials, such as alternative meats, mushroom leather, and biocomposites.
Mushroom leather (Mycobiology 2020)
학부생 졸업논문/ 곰팡이동아리 실험 (Mycobiology 2024)
학부생논업논문실험을 통하여 남강 주변의 곰팡이 다양성을 조사하고 논문으로 발표하였다.
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