계통수는 특정 객체의 분류 즉 특정 객체로부터 추출한 염기서열을 이용하여 그 객체의 소속 분류 집단을 결정하기 위해서 사용될 수 있다. 만약 특정지역에서 획득한 토끼의 종을 구분하기 위해서 이미 분류된 토끼의 염기서열들을 가지고 염기서열들과의 관계를 표현하는 계통수를 제작함으로써, 객체를 분류 할 수 있다. 계통수 제작은 기존의 계통수 제작 도구들(MEGA등)이 사용되지만, 이러한 계통수 제작 도구는 객체의 어떤 특성에 의해서 종이 나뉘어지는 가는 예측 할 수 없다. 계통수 제작에 이용되는 염기서열 데이터는 기존의 염기서열 데이터 베이스들(EMBL, GenBank, DDBJ)에서 인터넷을 이용하여 찾을 수 있지만, 계통생물학을 위해 누적된 데이터가 아니므로, 계통수 제작을 위해서는 사용이 제한적이다. 또 계통수 제작 도구을 사용하기 위해서는 자신이 관련 염기서열 데이터를 수집하여야 한다. 본 논문은 웹기반 계통수 추론 시스템을 제시한다. 본 시스템은 염기서열 데이터를 검색하여, 계통 분류 즉 계통수 제작을 위한 데이터로 저장하고, 이를 이용하여 계통수를 그릴 수 있다. 또한 이렇게 저장된 데이터는 데이터 마이닝 분류 기법을 사용하여, 각 객체 분류 집단을 모델링하며, 분류 속성을 예측할 수 있다.
분자생물학의 급진적 발전은 현대 계통분류학에 큰 변혁을 가져왔다. 특히 유전의 근원물질인 DNA나 RNA를 분리.조작.분석하는 기술의 발전으로 이를 이용만 계통수 제작은 계통생물학의 중요한 실험방법으로 자리잡고 있다. 그 중 염기서열 비교 방법은 현재 유전자 계통수 제작에 가장 널리 이용되는 방법이다. 하지만 이러만 계통수는 각 객체간의 거리만을 표현하고, 객체군간의 차이는 설명하기 힘들다. 본 연구에서는 염기서열의 상대적인 특징(유사도)을 대신하는 염기서열의 총량과 염기 함량 등을 이용해 새로이 분류 기법 중 결정트리 방법에 적응하고, 종 분류의 유전적 모델을 설계한다. 또한 결정트리의 클래스인 종은 상위 클래스들을 포함하고 있어, 본 논문에서는 기존의 결정트리 분류자를 수정한 단계적 결정트기 분류자를 제안한다.
최근 양계업에 막대한 피해를 끼치는 조류독감은 한국에서 수천억원의 거대한 경제적 손실을 초래하였다. 병원균의 전염경로를 파악할 수 있다면 막대한 손해를 끼치는 생물학적 피해의 확산을 막고 일부 지역으로 제한하는데 큰 도움이 될 것이다. 병원균 DNA 서열의 계통학적인 분석을 통하여 감염된 숙주들을 방향성이 있는 연결선으로 연관짓는 전염 계통수를 얻을 수 있다. 지난 10여년간 유전적 데이터뿐만 아니라 역학 데이터를 이용한 전염 계통수 추론의 방법론적 발전이 이루어졌다. 이에, 본 연구에서는 전염 계통수 추론 방법을 이용하여 지난 2014년 한국에 발병한 고병원성 조류독감 H5N8에서 유래한 DNA 서열을 재분석하였다. 당시, H5N8 바이러스는 전라북도에서 시작하여 지역적으로 접해있는 4개의 지역으로 확산되어 나갔던 것으로 알려져 있다. 전염 계통수를 추론하는 베이지언 통계 방법인 Markov chain Monte Carlo를 반복적으로 시행하고 이를 종합하여 철새 외래종과 국내종 조류 숙주들의 전염 계통수를 추정하였다. 비록 연결선의 불확실성은 높았으나 추정된 전염 계통수를 통하여 당시 H5N8 바이러스는 전라북도에서 시작하고 충청남도를 거쳐 경기도로 퍼져나간 것을 확인할 수 있었다. 사육하는 오리와 같은 국내종 조류는 전염 계통수의 말단 노드에 위치하는 것으로 추정되었다. 이러한 결과를 통하여 야생 철새종이 2014년 한국의 H5N8 조류독감의 감염 매개자로 주된 역할을 하였다는 것을 재확인하였다.
염기서열 분석이 완료된 9종의 고세균 (Archaea)과 15종의 단백세균 (Proteobacteria)에 대하여 유전자보유 유무와 16S rRNA에 의한 계통수를 neighbor joining method와 통계적 의미를 갖는 bootstrap method (n=1000)를 이용하여 분석하였다. 보존적 COG와 각 미생물 보유 ortholog수에 대한 비율은 4.60% (Mezorhizobium loti)와 56.57% (Mycoplasma genitalium) 사이로 종에 따라서 공통 유전자의 보유정도가 차이를 보이는 것으로 독특한 유전자를 탐색할 수 있는 가능성을 제시하는 결과로 사료되었다. Archaeabacteria와 Proteobacteria 그리고 Firmicutes모두 유전자보유 계통수와 16S rRNA 계통수가 일치하는 부분과 일치하지 않는 부분으로 나뉘어진다는 것을 알 수 있었다.
전통적인 동물 계통수(系統樹)는 초기발생 혈질에 기초하여 몸 구조가 단순한 것에서 복잡한 것으로 동물문(animal phylum)들을 배열하는 것이다. 현재 활발하게 연구 진행되는 분자수준에서의 분자계통 분류학(Molecular Systematics) 연구들이 이런 경향을 재평가하고 새로운 계통과 진화의 의미를 제시하고 있다. 본 논문에서는 한 염기서열로부터 획득할 수 있는 특성 값들을 추출하여 트레이닝 데이터를 생성하고, 생성된 데이터를 기반으로 데이터마이닝 기법중의 하나인 분류기법(classification) 을 사용하여 계통수를 생성하였다. 실험용 데이터는 미토콘드리아 염기서열을 사용하였으며 생물학분야에서 사용하는 분석 프로그램인 MEGA 프로그램을 사용하여 이를 증명하였다. 비록 마이닝을 수행한 결과는 생물학적 실험을 거쳐 정확성을 검증 받아야 하지만 인터넷상에 떠다니는 무수한 유전체들에 대한 유효한 분류기준을 제시할 수 있고 계통수 제작을 위한 실험에 소요되는 많은 시간과 노력들을 줄일 수 있다.
유전자보유 유무에 따른 계통수와 16S rRNA에 의한 계통수를 염기서열 분석이 완료된 33종의 미생물에 대하여neighbor joining method와 bootstrap method(n=1,000)를 이용하여 상관관계를 분석하였다. 각 분류그룹에서 공통적으로 보존된 COG와 각 미생물이 보유하고 있는 ortholog 수에 대한 비율을 조사한 결과, Mezorhiaobium lot의 4.60% Mycoplasma genitalium의 56.57% 사이에 분포하는 것으로 파악되었다. 이는 미생물 종류에 따라서 공통 유전자의 보유정도가 차이를 보이는 것으로 독특한 유전자를 탐색할 수 있는 가능성을 제시하는 결과로 사료되었다. 그리고 같은 종 내에 서도 20% 이상의 ortholog가 서로 독립적인 것을 알 수 있었다. Archaeabacteria와 Proteobacteria 그리고 Firmicutes모두 유전자보유 계통수와 16S rRNA 계통수가 일치하는 부분과 일치하지 않는 부분으로 나뉘어진다는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 165 rDNA처림 보존적이지 않은 유전자까지 고려한 결과이거나 horizontal gene transfer에 의한 영향 등으로 사료되었다. COC에 기초한 유전자보유 계통수는 생화학 적 실험과 염기서열에 기초한 분류의 중간자적 입장에서 유용유전자 탐색에 이용될 수 있을 것이다.
혹무늬 톡토기과의 56개 아과들에서 20개 형질복합을 추추랗여 형질평가방법과 Wagner algorithm의 형질 비평가방법을 사용하여 계통수를 작성, 비교하였다. 전자의 방법을 이해 진화적 형질순서와 극성을 결정하고 고등급의 파생공유 형질을 토대로한 단계통군과 자매군을 확인하여 계통분화를 추적하였다. 이 두가지 방법에 의한 계통수에서 분지 방식은 매우 다르게 나타났으나 나열순서는 유사했고, 단지 마지막의 2개 아과가 후자에서는 반대로 나타났다. 그 원인은 후자의 방법으로는 파생혈질수가 많은 분류군에서의 형질상태가 Wagner algorithm에서 누적효과를 일으킨 때문인 것으로 생각되며, 아울러 1, 10 및 20 번 형질의 적응이동(adaptive shift) 상 나타낼 중요한 의의를 적절히 평가 반영할 수 없는 것으로 추정된다.
한국산 털보톡토기과(Collembola, Insecta)의 계통유연관계를 알아보기 위해 이 과에 속하는 3개속(Sinella, Entomobrya, Homidia)의 6종과 가시톡토기과의 1종(Tomocerus kinoshitai)에 대하여 모서식과 형태적 조사 외에 전기영동을 이용한 효소분석을 시리시하였다. 이들 모든 조사에서 32개의 형태형질과 33개의 모서식형질 및 80개의 효소유전자 형질을 얻어 분지분석하였는데, 이중 효소유전자에 대해서는 UPGMA방법도 적용하였다. 이러한 분석 결과 다양한 분지도를 얻었으나, Homidia종들은 언제나 두 개의 무리로 분리되었으며, Homidia munda의 두 아종이 가장 유연관계가 높았다. 반면에 Homidia koreana의 두 개체군은 다소 분리되어 같은 종으로 보기 의심스럽다는 소견을 얻었다. 또한 형태형질분석으로 얻은 계통수에서 가시톡토기과의 Tomocerus종이 털보톡토기과의 속들 사이에 끼어들어 나타나는데 이것은 형질에 따라 비중을 달리두는 평가방법이 아니기 때문에 나타난 것으로 추측된다. 본 연구 결과 대체로 외부형질과 모서식, 그리고 효소유전자의 세가지 유형의 형질들을 종합 분석할 때 도출되는 계통수가 자연분류에 가장 가까운 근연성을 보이는 것으로 판단되었다.
원자력 발전소 내의 1차계통수에 존재하는 부식생성물과 노심에서 방사화된 여러 핵종들의 종류와 그 양에 대해서 CRUDSIM/MIT모형을 이용해서 분석하였다. 고리 4호기의 차계통수내의 수화학 조건을 이용하여 CRUDSIM/MIT모형에 적용하고 그 결과를 냉각수의 Activity자료와 증기 발생기의 Activity자료와 서로 비교 분석하였고, 노심과 증기발생기의 Crud양과 Activity를 예상하였다. 이 모형의 주요 인자인 $\beta$$_{c}$와 $\beta$$_{a}$ 값을 증기발생기의 Activity측정자료에 의해서 구하였다. 그리고 발전소 운전 중에 증기 발생기와 냉각수의 Activity각 최소화 할 수 있는 최적 조건 범위도 냉각수의 온도, pH, 수소농도등을 변화시켜서 구하였다. 고리4호기에 이 모형을 적용할 때 입력 자료에서, Activation Factor와 Recoil Release 등의 인자와 증기 발생기의 방사선양과 핵연료 표면의 Crud양을 구할 수 있으면 더욱 정확한 결과 값들을 얻을 수 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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