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박쥐는 어떻게 장시간 비행이 가능할까?
그림 1 Diaemus youngi 종 박쥐
영화 “다크나이트”나 “배트맨”에서 보여지는 박쥐의 모습은 흡혈과 빠른 비행이 특징적이다. 박쥐는 조류나 쥐와 생김새는 비슷하지만, 전혀 다른 동물이며 새처럼 날아다니는 유일한 포유류이다. 몸의 구조와 기능이 모두 날기에 편리하도록 발달되어 있으며, 지속적으로 비행이 가능하게끔 적응되었다.
또한 박쥐는 발견된 화석이 적어서 계통이 잘 알려져 있지 않지만, 대체로 6200만 년 전인 팔레오세에 식충류의 어떤 종에서부터 진화되어 온 것으로 추측된다. 그래서 Nipah, Hendra, Evola, 중증 급성 호흡기 증후군(SARS) 등 세계에서 가장 악명 높은 병원성 바이러스의 숙주로 알려져있다. 이에 관해 다양한 병원성 바이러스에도 감염되지 않는 특징을 이용한 연구들이 활발히 진행되고 있다.
BGI-Shenzhen에서는 과일박쥐로 알려진 Pteropus alecto 종과 식충박쥐로 알려진 Myotis davidii 종의 유전체를 비교 분석하여, 장시간 비행에 관련된 유전자와 병원성 바이러스에 감염되지 않을 수 있는 유전적 특징을 확인하였다. 과일박쥐는 초음파에 의한 감지를 하지 않으며, 동면 또한 취하지 않는 박쥐 종으로 주로 호주나 인도네시아의 나무나 우림 지역에 서식한다. 식충박쥐는 이름에서처럼 곤충을 섭취하며 일반적인 박쥐와 같이 초음파에 의한 감지와 동면을 취한다.
뿐만 아니라, 다른 포유류 종(인간, 쥐, 소, 말, 개, 고양이, 원숭이 등)과 유전체 비교분석을 통해 박쥐의 생물학적 진화에 새로운 정보를 제공하게 되었다.
박쥐의 유전체 계통분석
그림 2 과일박쥐와 식충박쥐 비교
박쥐는 모든 포유류 종에서 구별되는 특징이 있다. 첫째, 지속적 비행이 가능하고, 둘째, 산화와 인산화에 의한 DNA 손상이 적게 적응되어 왔다. 셋째, 수많은 치명적인 바이러스들의 공격을 받아, 숙주로 공존하며 강력한 면역시스템을 만들었다.
그림 3 바이러스들의 계통과 박쥐의 비교
이러한 특징들의 유전적 증거를 찾고자일루미나 HiSeq 플랫폼을 이용하여 100배수 이상으로 유전체 분석 한 결과, 과일박쥐는 21,392개, 식충박쥐는 21,705개의 유전자를 보유하였고 유전체 사이즈는 약2Gb로 측정되었다. 과일박쥐와 식충박쥐는 반복되는 서열에서 이형접합성(heterozygosity)이 각각 0.45%, 0.28%으로 나타났다.
그림 4 다른 포유류와의 계통 분석
박쥐들은 Saimiriine herpesvirus에서 파생된 내생 바이러스들인 DNA transposon 활동(Helitron)에 의해 숙주가 되었다. 또한 다른 포유류와의 비교를 통해 계통분석을 진행하였다. 인간, 쥐, 개, 고양이, 소, 말, 원숭이와 박쥐의 유전자를 분석하여 2,492개 유전자의 계통을 분리하였다. 베이지안 통계법을 이용하여 약 8천 8백만 년 전에 말에서 분기된 유린목(Pegasoferae)의 한 종으로서, 미토콘드리아 DNA 서열이 유사했다. 그러나 박쥐의 비행성이 생기면서 미토콘드리아 유전체의 빠른 진화가 이루어져 독립적인 계통인 것처럼 변하였다.
박쥐의 비행의 기원과 면역유전자
그림 5 박쥐에서 DNA 손상 부위의 진화 적응 경로
박쥐의 비행의 기원을 촉진시킨 메커니즘을 파악하기 위해, 유전자 손상 부위를 감지하고 복구에 관련된 ATM, PKc, RAD50, KU80, MDM2 유전자들의 positive selection을 확인하였다. 특히 식충박쥐에서는 TP53(p53)과 BRCA2에서 positive selection 되는 동안, 과일박쥐에서는 LIG4가 positive selection되었다. MDM2에서 핵으로 전해지는 신호가 p53에서 positive selection되었고, 이를 통해 두 종 모두에서 세포 구획화와 기능에 영향을 끼쳤다. 또한 비행에 관련된 COL3A1과 CANA2D1 후보유전자들은 positive selection되어 피부의 탄력을 증가시키고 근육의 수축이 이루어졌다.
표 1 DNA 손상 위치와 면역유전자
박쥐의 다양한 면역시스템에 대해 조사한 결과, [표1]은 박쥐의 면역체계에 관여하는 유전자들이다. 박쥐가 치명적인 바이러스에 감염되어 숙주가 된 것은, 암유전자 산물로 알려진c-REL과 NF-κB 전사인자의 아미노산 변이가 일어나, IκB에 영향을 끼치게 되었고 그 결과, 면역시스템을 가동시켰기 때문이다. c-REL은 면역 관련 유전자인 ATM과 CLSPN을 활성화시켜 DNA 손상반응을 일으키고, NF-κB는 ATM 유전자 발현의 증가를 조절한다.
DNA 손상은 바이러스의 침투에 대항하는 숙주의 방어이다. DNA 손상으로 인해 바이러스 감염의 표적이 되면 박쥐의 면역시스템이 가동되고, 면역과 비행에 관련된 유전자들이 발현되게 된다. 그러므로 바이러스 감염을 치유하는 과정에서 불가피하게 비행에 관련된 유전자의 발달이 이루어지게 된 것이다.
과일박쥐와 식충박쥐는 AIM2와 IFI16 유전자를 포함하는 PYHIN 유전자 loci를 상실하여, 박테리아 DNA와 염증성 물질(inflammasomes)의 구조를 감지하는 것이 발달하였다. PYHIN 유전자들의 세포주기 조절에 관련된 박쥐의 상실된 부위가, 다른 종들에서는 DNA 손상 경로 변이와 연관성이 있었다. NLRP3 유전자는 다른 포유류에서 산화반응과 바이러스 감염을 일으키고, AIM2 유전자는 염증성 물질에서 유사한 반응을 하며, 특히 박쥐에서는 positive selection이 된다.
박쥐의 동면과 초음파 감지 관련 유전자
표 2 동면에 관련된 유전자
박쥐는 동면을 하는데, 이에 관련된 유전자는 PPP1R9A, SLC1A2, PRRX1, MAP1B, MAP2, MYLK 등이 있는데, 다른 포유류 보다 평균 2배정도 발현을 한다. 이는 동굴이나 나무에서 낮 시간에도 잠을 자는 등의 행동과 관련이 있다.
표 3 초음파 감지에 관련된 유전자
또한 박쥐는 초음파를 이용하여 감지하는 특징이 있다. 이에 관련된 유전자는 SLC26A5, MMP14, DZIP1, TMC1, FOXP2, FOS, WNT8A 등이 있다. 과일박쥐는 박쥐 종 중에서도 초음파를 이용하지 않지만, 일반적인 박쥐들은 다른 포유류에 비해 2~6배 많이 발현하는 특징을 보인다. 식충박쥐의 경우 특히 3번 엑손의 FOXP2유전자가 발현되어 초음파에 더욱 의존하는 경향을 보인다.
맺음말
식충박쥐와 과일박쥐의 유전체를 비교분석하고 다른 포유류 종과의 비교를 통해 유전자 변화의 증거를 밝혀냈다. 또한 DNA 손상 경로와 면역 시스템에 의해 공유된 구성요소의 변화, 비행의 기원을 알아보았다. 치명적인 바이러스들의 침투로 인해, 박쥐의 DNA가 손상되어 면역시스템이 가동되었고, 그로 인해 비행에 유용하게 유전자가 발현되어 비행이 시작되었다.
쥐나 조류와 비슷한 생김새를 가졌지만, 포유류 중 말과 가장 유사한 박쥐는 계통이 분기된 후 많은 유전자 변이가 발생하였고, 다양한 유전자들이 발현하면서 독자적인 특징을 만들어냈다. 본 연구에서 생성된 데이터는 박쥐 생물학에 대한 새로운 방향을 제공하는 데 도움이 될 것이다.
참고문헌
Comparative Analysis of Bat Genomes Provides Insight into the Evolution of Flight and Immunity
Resolution of the laurasiatherian phylogeny: evidence from genomic data.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22560954
The immune gene repertoire of an important viral reservoir, the Australian black flying fox.
http://www.biomedcentral.com/1471-2164/13/261
저자
글 : Park.hyeonji
편집 : Ahn.kung, Park.hyuna
키워드 : 박쥐(Bat), Pteropus alecto, Myotis davidii, DNA damage, inflammasomes 등
