척추동물의 진화를 바다 칠성 장어 게놈에서 확인하다!

　

  칠성장어(Petromyzon marinus)는 턱이 없는 무악류로 다른 물고기의 몸에 달라붙어 피를 흡입하며 살아가는 기생어류로, 일곱 개의 아가미 구멍이 있어서 칠성으로 불린다. 고대 척추동물 혈통의 대표 종으로 5억년 전 분기되어 진화되어 왔으며, 척추동물의 생물학적 기본 원리에 대한 정보를 제공한다. 염기서열의 중복성과 GC 비율, 연관 종의 서열정보 등이 부족하고 일반적인 어류보다 게놈 사이즈(약 2Gb)가 크기 때문에, 많은 연구가 이루어지지 않았다.

  이번 연구는 미국 캔터키 대학의 생물학 연구진들이 바다 칠성 상어의 선도 게놈을 분석한 것으로, 칠성장어와 gnathostome의 전장 게놈에서 중복되는 서열의 부위를 비교하여 계통 역사를 밝혀냈다. 바다 칠성장어의 경우 척추동물의 기원과 현존하는 생물의 게놈 구조에 영향을 끼쳤으며, 특히 수초에 관련된 단백질의 기원과 진화과정을 잘 보여주는 모델이다.

  캄브리아기 동안 동물들은 몸 형태를 다양하게 형성하여 종이 분화되었고, 그 기록이 화석으로 발견되고 있다. 이번 연구에서는 바다 칠성장어의 중추신경계, 아가미 등의 연골 골격 구조가 현대 척추동물과의 연관성을 비교하였다. 특히 연골 두개골은 뇌하수체에서 처리하는 감각 정보와 의식 기능을 제어하기 위해, 신경 내분비 신호를 조절하는 중뇌나 전뇌와 분할되어 있는데, 이로 인해 호흡과 심장박동 등이 불수의 운동으로 결정된다. 배아시기부터 이미 신경 구조와 외배엽 등이 현대 척추동물과 유사한 구조를 이루고 있다. 특히 칠성 장어는 멸종위기 종으로 분류되어 있기 때문에, 턱을 가진 척추동물과 먹장어, 칠성장어 등의 멸종 계보에서 종 다양화가 이루어진 점을 집중적으로 확인하였다.

  게놈 구조와 유전자, 염기서열의 중복 등 많은 분석이 필요했으며, 칠성장어와 먹장어를 위한 발달 유전학적 방법을 통해 척추동물의 진화를 확인하게 되었다. 또한 gnathostome와 칠성장어의 게놈을 비교하여 외집단으로 진화된 칠성장어의 계통적 위치의 중요성을 보았다. 그 외에도 칠성장어는 턱, 유수신경, 면역시스템 등 현대 척추동물의 기능적 진화와 발전에 기여한 정도를 확인하였다.

바다 칠성 장어의 게놈 해독과 분석

  암컷 바다 칠성장어의 간에서 DNA를 추출하여, 로슈 454로 염기서열을 해독하였다. 10,000개의 높은 품질의 샷건 서열을 선택하여 유전자를 정렬하였고, 이를 인간과 비교 분석하였다. 칠성장어가 초기 배아 발생 도중 게놈에 재배열이 일어나는 것을 확인하였고, 이로 인해 이전의 유전적 요소들이 재배치되어 체세포 조직과 생식 세포 DNA의 대규모 결실이 나타났다. 또한 GC 서열에서 반복되는 구간이 34.7%를 차지하였으며, Arachne를 이용하여 어셈블리하여 진화과정에서 보존된 유전자 지역의 기능을 확인하였다. 칠성장어는 먹장어를 비롯한 다른 척추동물의 게놈서열보다 GC비율이 높아서, 단백질 생산 영역과 아미노산 조성, 유전자 발현 수준에 끼쳤다.

  또한 전사체 분석(RNA-Seq)으로 칠성장어와 gnathostome의 상동성 유전자를 확인하였다. 칠성장어의 단백질을 생산하는(coding) 유전자는 26,046개로 다른 척추동물의 유전자 수와 유사하였다. 턱 척추동물에 비해 칠성장어의 게놈이 더 빠른 속도로 진화하였고, 고대 척추동물에서 분기된 이후 가장 유사한 먹장어와의 비교를 통해 진화에 대한 정보를 얻을 수 있었다.

게놈의 중복 구조와 척추동물의 생물학적 특징

  초기 척추동물의 진화과정에서 게놈의 중복된 구조들이 생기기 시작하였으나, 넓은 범위의 서열 데이터에 중복이 일어나지는 않았었다. 그러나 턱 척추동물이 생겨나면서, 독립적으로 진화하기 시작한 칠성장어와 같은 집단에서 넓은 범위의 중복된 서열이 출현하였다. 척추동물 계통의 유전자 및 중복된 게놈을 확인하기 위해, 칠성장어와 gnathostome 게놈의 보존된 유전 영역 내에서 패턴을 비교 분석하였다.

　

  고대 척추동물에서 칠성장어가 분기된 이후, Gnathostome 게놈에 남은 중복 부위에는 HOX 유전자 클러스터와 성선 자극 호르몬을 분비하게 하는 호르몬(GnRH) 관련 유전자가 있었다. 가장 마지막에 분기된 두 계통은 유사한 유전자 그룹에서 손실이 일어났으며, 중복되는 구조에서도 미묘한 차이만 존재하였다.

  척추의 형태학적, 생리학적 기능의 특성을 유전자 네트워크를 통해 확인하였다. 척추동물의 조상에서 새로운 유전자가 진화과정에 끼어들어 변화를 일으켰다는 가설로 진화 유전자를 식별하였다. 칠성장어의 유전자를 분석한 결과, 염기서열이 gnathostome와 유사하였다. 멍게, 바다 삿갓 조개류, 송사리, 도마뱀, 야생닭, 금화조, 지브라피쉬, 초록복어, 큰 가시고기 등의 종을 분석한 결과, 224개 공통적인 유전자 가족이 발견되었다. 이로써 칠성장어는 무척추동물보다 척추동물에 가까운 것을 확인된 것이다.

  계통발생 분석에서 척추동물 계통 내의 유전자 가족이 확장되고 감소하는 것을 확인하여, 칠성장어는 혈액 응고에 관련된 유전자가 손실되었으나, 신경 기능과 염증에 관련된 유전자가 확장된 것을 볼 수 있다. 유전자 분석(Gene Ontology)을 통해 224개 유전자의 기능을 분석한 결과, 수초 형성과 신경 펩타이드 및 호르몬의 신호경로에 관련된 기능이 많았다. 척추동물의 중추신경계 신호가 발달되었으며, 형태 형성의 조절에 관여하는 대부분의 유전자가 고대 생물에서 온 것을 확인하였다. 척추동물에서 분기 이후 초기 gnathostome 혈통의 진화과정에서 운동과 행동에 따라 부속물들이 생기기 시작하였는데, 사지동물의 골반과 가슴, 물고기의 지느러미 등이 해당되며, 이는 척추동물의 주요한 진화이다. 칠성장어는 인트론에서 발견된 Lmbr1 유전자가 지느러미와 꼬리 지느러미를 발달시켰다.

  Gnathostomes의 경우, 희소성 돌기 아교세포와 지질층 축상을 감싸는 수초를 비롯한 단백질의 신경 전도 속도가 빨라 효율성이 증가되었다. 인간의 경우에는 수초에 질환이 생기면 운동성이 저하되어 많은 질병을 유발하게 되는데, 칠성장어의 수초 형성에 관련된 유전자를 농축시켜 이용할 수 있을 것이다. 특히, 칠성장어의 경우 미엘린 단백질을 생산(MBP; myelin basic protein)하는 유전자가 특화되어 있다. MBP는 수초의 분자 구성 요소를 조절하는데, 이를 이용하면 gnathostome의 기원을 찾을 수 있고, 척추동물의 면역 체계 진화를 이해할 수 있다.

맺음말

  칠성장어의 게놈에서 척추동물 혈통의 기원과 진화에 대한 독특한 특징들을 살펴볼 수 있었으며, 조상 척추생물학의 정보를 제공하였다. 칠성장어와 gnathostomes가 공통 조상 혈통을 두고 있으며, 진화하면서 신경 신호경로에 관련된 새로운 유전자가 발견되었다. 게놈에서 중복된 부위를 발견하였고, 이는 면역 수용체의 진화와 사지 발달에 중요한 조절요소와 관련성이 있었다.

  칠성장어는 뼈와 같은 단단한 연골이 없기 때문에 화석화되지 않는다. 잘 발달된 구반(oral disc), 윤상연골(annular cartilages), 입주위 이빨(circumoral teeth)들은 매우 특별한 기생적 식습관이 오랜 기간 동안 진화론적으로 안정적이였다. 이를 통해 칠성장어는 원시 척추동물들의 상황을 추정해보기 위한 모델 시스템으로서, 현대 무악류를 사용하는 연구에 새로운 계통발생학적 전망에 통찰력을 더해줄 것이다.

참고문헌

Sequencing of the sea lamprey (Petromyzon marinus) genome provides insights into vertebrate evolution.

http://www.nature.com/ng/journal/v45/n4/full/ng.2568.html

Evolutionary crossroads in developmental biology: cyclostomes (lamprey and hagfish).

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22619386

Insights into bilaterian evolution from three spiralian genomes.

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature11696.html

저자

글 : Park.Hyeonji

편집 : Ahn.Kung

키워드 : 칠성장어(Petromyzon marinus), gnathostome, MBP(myelin basic protein) 등