Characterization and expression analysis of fatty acid desaturase genes in Arctic Chlamydomonas sp. KNM0029C

Abstract

지방산 불포화 효소(FADs)는 다중 불포화지방산의 생합성에서 중요한 역할을 하며, 이는 저온 환경에서 막의 유동성을 유지하는데 필수 요소이다. 본 연구는 바이오연료 생산 잠재력을 인정받은 호냉성 미세조류 북극 Chlamydomonas sp. KNM0029C의 FAD 유전자의 특성과 발현 패턴을 분석하였다. 계통분류 연구결과 Chlamydomonas sp. KNM0029C는C. priscuii UWO241과 매우 가까웠으며 Moewusinia 계통군에 속하고, Chlamydomonas sp. ICE-L을 포함한 다른 극지Chlamydomonas종이 속하는 Monadinia 계통군과 구별되었다. 전사체 분석 결과 4개의 주요 FADs 유전자(FAD5, FAD6, FAD7, Δ4FAD)가 동정 되었으며, 모두 엽록체에 위치하는 것으로 확인되었다. 특히, Chlamydomonas sp. KNM0029C는소포체에 위치하는 FAD2 유전자가 발견되지 않아, 단일 ω-6불포화 효소로 FAD6를 갖는 특징이 있었다. 전체 단백질 서열치환도를 분석한 결과, Chlamydomonas-Moewusinia계통군(KNM0029C와 UWO241)의 단백질 서열은 녹조강/트레복시오강 조류와 5배 이상 다른 뚜렷한 차이를 보였다. 온도변화에따른 FAD 유전자의 발현 분석 결과, 모든 FAD 유전자가 온도하강 조건(8℃ → 4℃)에서 유의미한 발현 증가를 보였고, 이결과는 모든 FAD 유전자가 저온 조건의 다중 불포화지방산 합성에 중요한 역할을 하는 것을 시사한다. 흥미롭게도, FAD5와FAD7은 온도 상승 조건(8℃ → 12℃)에서 발현이 증가하였는데, 이것은 온도 적응에 대한 개별 조절 메커니즘에 의한 것으로판단된다. 이러한 연구 결과는 저온 환경의 Chlamydomonas-Moewusinia계통군의 Chlamydomonas sp. KNM0029C가 갖는 고유한 유전적 변이를 의미하며, 유전공학적 방법을 적용하여 바이오연료 생산을 개선할 수 있는 가능성을 시사한다.

Fatty acid desaturases (FADs) play a crucial role in the biosynthesis of polyunsaturated fatty acids (PUFAs), which are essential for maintaining membrane fluidity in cold environments. This study characterizes and analyzes the expression patterns of FAD genes in the Arctic Chlamydomonas sp. KNM 0029C, a psychrophilic microalga with significant potential for biofuel production. Phylogenetic analysis revealed that KNM 0029C is closely related to C. priscuii UWO241 belongs to the Moewusinia clade, yet distinct from other polar Chlamydomonas species, such as ICE-L in the Monadinia clade. Transcriptomic analysis identified four major FAD genes―FAD5, FAD6, FAD7, and Δ4FAD―all of which are localized in the chloroplast. Notably, FAD6 was the only ω-6 desaturase detected, as KNM0029C lacks the endoplasmic reticulum-localized FAD2 gene. Protein sequence analysis revealed that Chlamydomonas in Moewusinia clade (KNM0029C and UWO 241) exhibit protein sequence distances five times greater than those within Chlorophycean/Trebouxiophycean algae. Expression analysis under variable temperature conditions demonstrated a significant up-regulation of all FAD genes at temperature decrease (8°C to 4°C), indicating their role in PUFA synthesis under cold stress. Interestingly, FAD5 and FAD7 exhibited increased expression at temperature increase (8°C to 12°C), suggesting a distinct regulatory mechanism for temperature adaptation. These findings highlight the unique genetic variations of KNM0029C in the Moewusinia clade from cold environments and indicate its possibility for improving biofuel production by applying genetic engineering tools.