From PGI
Contents
다른 해양 종에 비해 매우 낮은 유전적 다양성을 가진 대왕오징어
그림 1 Architeuthis DUX.
Giant squid라고도 불리는 대왕오징어(Architeuthis DUX.)는 연체동물문 두족강 오징어목 대왕오징어과의 생물체로 평균 18m, 최대 50m에 이르는 거대 종이다. 약 200~400m 심해에 주로 서식하는 대왕오징어는 전세계적으로 분포하나, 북대서양, 뉴질랜드, 북태평양 등에서 많이 발견된다. 무척추 연체동물 중 가장 큰 종이지만, 생물학적 행동으로 분류되기에는 상당한 논란이 존재하는 종이다. 육질에 암모니아이온을 함유하여 식용으로는 이용되지 않으나, 심해 낚시 기술의 발전을 위해 가치가 있는 생물이다.
최근 BBC뉴스와 라이브사이언스 닷컴의 보도에 따르면, 대왕오징어는 북극과 남극을 제외한 전 세계의 심해에 서식하고 있고, 지역에 따라 모습이 제각기 다르지만, 모두가 같은 종으로 밝혀졌다. 덴마크, 호주, 일본 등의 과학자들로 구성된 국제 연구진은 전 세계에서 다양한 방식으로 입수한 대왕오징어 43마리의 미토콘드리아 DNA를 분석한 결과, 집단 구조가 없는 단일 종으로 밝혀졌다고 발표했다. 이는 서식지와 상관없이 대왕오징어들 사이에는 교배를 가로막는 아무런 장벽도 없음을 뜻하는 것이다.
높은 이동성에도 불구하고 유전자의 다양성이 매우 낮았는데, 심해 어종인 대왕오징어의 표본은 죽어서 해안가로 떠밀려왔거나, 정자고래나 향유고래의 뱃속에서 나온 것에서부터 우연히 어망에 걸려든 것 등 다양했는데, 분석결과는 모두 단일 종으로 나타났다.
그림 2 Giant squid
연구진의 말에 따르면, “동물들은 보통 지역에 따른 유전적인 특성을 띠게 돼 한 지역에 사는 집단은 다른 지역의 집단과 매우 다른 종이 되는데 대왕오징어는 어디서나 기본적으로 같은 종”이라고 밝혔다. 또한 “오징어는 유충단계에서 해류에 실려 전세계를 떠돌아 다니다 충분한 몸 크기로 자라면 가장 가까운 어두운 심해로 들어가기 때문에 집단 구조가 나타나지 않는 것으로 보인다”고 말했다.
연구 결과, 오징어가 성체와 어린 것이 한 곳에 살지 않고 어린 것들이 각기 다른 곳에 서식하는 것으로 보이며, 몸 크기와 놀라운 환경 적응력으로 볼 때 개체 수도 상당히 많은 것이라고 추정했다. 개체 수가 많은 같은 종이 이처럼 널리 분포하는 데 대해 학자들은 최근 갑작스러운 개체 수 폭발이 일어났을 가능성을 제기하며, 포식자의 감소나 사냥감의 증가로 개체 수가 갑자기 늘었을 것이라 예측하였다.
대왕오징어의 게놈 분석
표본의 부족으로 생물학, 분류학적 정보가 제한적인 대왕오징어의 경우 동위원소 구성으로 생산지를 확인하였고, 두족류 동물(cephalopods)들 간의 구연산 합성효소 활동을 비교하여 육식의 활성화를 분석하였다. 43개 대왕오징어의 조직 샘플 정보를 나타낸 것으로, 살아서는 거의 잡히지 않으며, 심해 저인망 어선에서 잡히거나, 해변에 좌초되거나 바다 표면에 죽어서 떠다니는 사체에서 파생된 냉동 표본을 이용하였다.
두족류 동물의 DNA를 추출시에는 뮤코다당류가 높게 분리되는데, 대왕오징어의 근육조직은 암모니아가 높은 수준으로 함유된다. 그래서 DNA 품질관리 단계에서 0.7% 아가로오스 젤 뿐만 아니라 Qubit1.0의 fluorometer에 fluorometric quantitation으로 평가한다.
GenBank에 게시된 대왕오징어의 mitogenome 염기서열을 확인한 것은, 중복영역이 포함되어 99.9%의 유사성을 보인다. 대왕오징어 샘플은 미국 플로리다, 남아프리카 공화국, 뉴질랜드, 포클랜드 등에서 수집했으며, amplicon-PCR 증폭하여 생어시퀀싱으로 해독하였다.
각 샘플의 DNA 품질에 따라 mitogenome 데이터를 생성하였는데, GS-FLX의 경우 200~600bp의 라이브러리를 제작하여, 4.7kb의 대형 amplicon을 생성하였다. 또한, HiSeq2000과 함께 스트렙타아비딘(streptavidin) 기반의 캡처 방식으로 22~1,051배수의 미토콘드리아 시퀀스를 생성하였다.
시퀀싱 후 3가지 방법으로 어셈블리를 하였는데, 첫 번째는 Amplicon-FLX로 이미 공개된 대왕오징어의 참조 게놈을 이용하여 GsMAPPER, inMEGA, GENEIOUS PRO를 이용하여 분석하였다. 짧은 시퀀싱 조각이라서 어셈블리에 오류가 많아서, 단일 염기의 반복에 대한 검증이 필요하였다. Amplicon-HiSeq 및 bait-captured 방법은 ADAPTERREMOVAL로 어댑터를 제거하고, BWA, SAMTOOLS, GENEIOUS DNA를 이용하여 분석된 서열을 시각화하였다.
계통분석을 통해 대왕오징어의 분기시기를 유추한 것이다. haplotype 네트워크를 형성하기에는 염기의 변화 수준이 낮아서, mitogenomes에서 소수의 불완전한 서열(tRNAs, rRNAs)을 제거하고 38개 단백질 코딩 유전자를 기반으로 형성하였다. 두족류 동물의 화석 기록이 적어서 대왕오징어와 관련된 돌연변이의 추정이 어려웠다. 심해 마크나피나 오징어(Oegopsida)의 염기서열에서 추정한 결과, 매오징어(Watasenia scintillans)와 남방살오징어(Sthenoteuthis oualaniensis) 사이로 추정되었다.
haplotype 다양성을 통해 계통 지리적 구조를 알아본 것으로, mitogenome의 독특한 haplotype을 포함하고 있다.
2개 이상의 개체를 가진 mitogenome 샘플들의 pairwise 비교 분석 결과를 나타낸 것으로, 두 개의 집단 사이에서 haplotype 수의 다양성이 감소하여 높은 변이성을 보였고, 다른 분석을 이용하여 확인하여야 했다.
또한 3가지 잠재적 돌연변이를 확인하였다. 날오징어(Sthenoteuthis oualaniensis)와의 유전적 거리는 2,350년 차이가 났다. 살오징어(Ommastrephidae)와의 분기(33Ma)는 21% 당 3,560만 년씩 돌연변이가 생겼으며, 매오징어(enoploteuthid)와의 분기(220Ma)는 21%당 530만 년씩 돌연변이가 생겼다. 이를 통해 확인된 대왕오징어는 109,248~728,318년 전 분기되었으나, 절지동물의 가장 빠른/느린 돌연변이 발생속도가 0.335~1.2%인 것에 비하면, 세대간 3~10년이 소요되며 따라서 10,792~2,427,727년의 넓은 범위의 분기시기를 유추할 수 있다.
낮은 유전적 다양성
Haplotype의 다양성에도 불구하고, 염기의 다양성은 다른 해양 종보다 매우 낮을 것을 볼 수 있다. 대왕오징어의 mitogenome은 전세계에 분포되어 있으나, 매우 낮은 염기의 다양성이 특징적이다. 다른 해양 종에 비해 대조적으로 매우 낮은 다양성은 최근의 개체 수 확장에 따른 병목 현상에서 기인한 것이라 유추하였다.
돌묵상어(basking shark), 속해상어(Cetorhinus maximus)는 오랜 세대시간이 추정되며 세계적으로 적은 분포를 가지는 데 반해, 대왕오징어는 비교적 짧은 3~10년의 세대시간에 비해 인구는 크므로 주목할 연구결과이다. 또한 대왕오징어의 유사 품종인 마그나피나 오징어, 아메리카 대왕오징어, 흰꼴뚜기(Sepioteuthis lessoniana) 등에 비해 7~44배 낮은 다양성을 가졌다.
염기와 haplotype 다양성 사이의 관계를 비교하여도, 척삭동물, 연체동물, 갑각류, 거미류, 곤충류, 해면동물 등 여러 동물 문에 걸쳐 대왕오징어의 특이점 돋보였다. 미토콘드리아 DNA가 다른 해양 종보다 낮은 진화속도를 가졌으며, 매우 활동적이지만 낮은 대사율을 가지고, 짧은 세대기간에 의해 다양성이 낮을 것이라 추정하였다. 염기 다양성이 낮게 유지되어, 돌연변이 속도에 대한 연구가 시작되었고, 이는 TreeSAAP 분석툴을 사용하여 이전의 가설들을 재확인하였다. 하나의 개체 만으로는 기후나 생물학적으로 설득력 있는 설명을 제공하지 못하기 때문에, 다각도의 시각으로 관찰하였다.
대왕오징어의 상당한 국제적 분포인 것을 감안할 때, 육식동물 또는 경쟁 종의 수가 감소하여 급격한 개체 수 인플레이션이 일어났을 것이라 예측하였다. 1800년대 후반 육식동물을 제거하는 포경사업이 실시되었고, 기후 또한 마지막 빙하시대와 유사하였다. 사하라, 대서양 북서부의 대구어업이나 태국의 트롤어업 방식의 도미 어업, 참치의 어획량 증가 등의 원인이 존재했다.
대왕오징어는 세계적으로 유일한 단일 종인 Architeuthis DUX으로 유전자 데이터 만으로 계통 지리적 구조를 확인하기 어려웠다. 그러나 전 세계적으로 확대된 분포에 비해, 성체는 제한된 지역에 서식하였는데, 이것은 대왕오징어의 잡혼번식(panmictic)이 상당시간 존재했다는 가설을 세울 수 있다. 유전적으로는 균일하고, 폭넓은 흩어짐으로 인해 유전적 차별화가 일어나지 않았다는 점에서 열염분(thermohaline) 순환에 의해 세계적인 해류가 청소년기의 오징어들을 운반하여 대왕오징어의 지속적인 균질화되었다는 가설도 세울 수 있다.
맺음말
연구는 단일 마커인 mtDNA를 기반으로 진행되었으나, 샘플들은 대왕오징어 단일 종으로 구성되었으며, 상당 수의 개체가 미토콘드리아 염기 다양성이 낮았다. 플로리다와 일본처럼 샘플들의 유전적 차별화를 함께 조사하여, 세계적인 열염분 순환을 통해 분산되었을 것이라 추측할 수 있었으며, 개체 통계학적 확장과 선택적 sweep 사이의 구별을 통해 중복된 특정 유전자의 positive selection 흔적을 확인하여, 5가지 오징어 종 사이에서 관찰된 단백질 염기서열의 유사성을 확인하였다.
참고문헌
Mitochondrial genome diversity and population structure of the giant squid Architeuthis: genetics sheds new light on one of the most enigmatic marine species
http://rspb.royalsocietypublishing.org/content/280/1759/20130273
Mitogenome sequencing reveals shallow evolutionary histories and recent divergence time between morphologically and ecologically distinct lineages of European whitefish (Coregonus spp.).
AdapterRemoval: easy cleaning of next-generation sequencing reads.
http://www.biomedcentral.com/1756-0500/5/337
저자
글 : Park.Hyeonji
편집 : Ahn.Kung
키워드 : 대왕오징어(Architeuthis DUX.), mitochondria genome(mitogenome), cephalopods, GenBank, streptavidin, haplotype, 잡혼번식(panmictic), 열염분(thermohaline) 순환 등
