나무타기 쥐의 특이한 유전적 특성을 규명하다!

　

　　　　　　　　　　　　　　　　　그림 1tupaia belangeri chinensis (출처 : www.siamensis.org)

　

  중국의 나무타기 쥐(Chinese tree shrews (tupaia belangeri chinensis))는 생체의학의 실험적 모델로서 활용 가능한 다양한 특성들을 가지고 있다. 현재 우울증, 근시, B형 간염, C형 간염, 간암 등의 연구에 사용하기 위해 다양한 시도들을 하고 있다. 나무타기 쥐는 개체 크기가 작고, 짧은 번식 주기, 영장류와의 밀접한 관련성 등의 장점을 가지고 있기에 생체의학의 모델로 활용가능성이 높다. 그러나 순종을 찾기가 힘들고 서식지가 동아시아 쪽에 국한되어 있으며, 나무타기 쥐에 특이적인 시약들의 부재 등의 문제들이 있다. 무엇보다도 양질의 게놈 시퀀스의 부재로 인해, 영장류와의 유전학적 상관관계나 대체할 수 있을 만큼의 유사 신호경로, 나무타기 쥐만의 특이한 유전적 특성 등에 대한 의문점들이 해결이 되지 않고 있는 실정이다.

　

NGS를 이용한 게놈 해독

　

  계통발생적인 접근과 생체 의학적인 모델로서의 나무타기 쥐의 활용성을 높이기 위해, 수컷 나무타기 쥐의 참조 게놈 어셈블리를 수행하였다. 어셈블리는 다양한 사이즈, 높은 품질의 79배수 일루미나 paired-end 라이브러리를 제작하여 진행되었다. DNA 라이브러리는 일루미나 프로토콜을 사용하였으며, 게놈 어셈블리는 Bruijn graph, SOAP denovo(v1.05)를 이용하여 드노보로 제작되었다. 전체 게놈 사이즈는 2.86Gb로 나타났다.

　

  다량의 Alu/SINE(Short Interspersed element)로 특정화되는 영장류의 게놈과는 다르게, 나무타기 쥐의 게놈은 백만 개 이상의 나무타기 쥐 특이적인 tRNA SINE(Tu-III)을 포함하고 있는데, 이는 전체 게놈의 14%를 차지한다.

　

  참조 유전자 세트는 22,063개의 단백질 발현 유전자를 포함하는데, 이 중 17,511개의 유전자는 다른 포유류와 유사성을 보였다. 최근 Broad Institute에서 발표된 parameter들과 이번 NGS를 통해 확립된 참조 게놈을 비교 했을 때, 후자의 우월성을 확인할 수 있다.

　

  Board Institute의 데이터의 해독 배수는 2배수인 반면, NGS 데이터는 약 79배수로 단일 염기서열 단위까지의 정확한 염기서열을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라 염기서열을 67%에서 85%까지 정확하게 확인하여, 다른 종과의 체계적인 비교분석을 가능하게 하였다. 그 외에도 완전한 개체 별 유전자 모델을 생산하는데 도움이 되는 게놈조각 사이즈를 생산하였으며, 월등히 우월한 annotation이 가능하게 하였다.

　

나무타기 쥐의 진화모델과 다른 종과의 연관성

　

  중국 나무타기 쥐와 영장류의 유사한 2,117개의 유전자를 기반으로, 6개 (마모셋 원숭이, 히말라야 원숭이, 오랑우탄, 고릴라, 침팬지, 인간)의 영장류를 포함한 14개 종(영장류외 생쥐, 쥐, 토끼, 개, 소, 주머니쥐, 오리너구리)과의 코돈 위치, 단백질 서열 등의 비교를 통해 확인되었다. 미토콘드리아 게놈, 염색체 지도, 다중 유전자 위치 서열 등을 기반으로 재구성된 나무타기 쥐의 분기시기를 확인한 것이다. 나무타기 쥐가 일반적인 동물모델인 설치류 보다 영장류로부터 약 4백만 년 정도 최근에 분기 되었음을 알 수 있다. 계통나무에서 확인되는 영장류와 나무타기 쥐의 유사성은, 나무타기 쥐를 동물 실험 시 영장류의 대안으로 사용할 수 있는 근거를 제공한다.

　

  나무타기 쥐가 통상적인 동물 모델로 사용되고 있는 쥐보다 사람에 더 가깝다는 것을 보여준다. 뿐만 아니라, 영장류의 특이 유전자라고 알려져 있던 28개 유전자가 나무타기 쥐에서 발견이 되었다. 대표적인 예로 표피에서의 선천적 미생물 방어 체계(innate bacterial defense mechanism)와 연관된 단백질인 서라이어신(psoriasin)과 암, 자가면역과 관련된 NKG2D 리간드 상호작용을 들 수 있다. 이러한 사실들은 나무타기 쥐의 면역 체계가 사람의 면역 체계와 상당한 유사점이 있을 수 있음을 시사한다.

　

나무타기 쥐의 독특한 유전적 특징(신경, 면역시스템)

　

  나무타기 쥐 특이적으로 확장된 유전자는 162개로 확인되었다. 그 중에서도 병원균의 제거와 직접적 연관이 있는 면역 글로블린(immunoglobulin lambda) 관련 유전자들이 특히 확장(나무타기 쥐 67개, 인간 36개) 되었는데, 종 선택성에 큰 이점으로 작용되었을 것으로 보여진다(그림 4). 정액을 구성하는 반 액체 단백질의 발현과 관련된 전립선 효소(TGM4)는 나무타기 쥐에서 없어진 것으로 확인되었는데, 이는 일부일처의 짝짓기 성향에서 유래 되었다고 추정되었다.

　

  나무타기 쥐는 영장류와 같이 잘 발달된 뇌 구조를 가지고 있기 때문에, 우울증 연구에 활용이 가능할 것이라는 주장이 나오고 있다. 사람의 경우, 세로토닌 촉진제의 다형성이 스트레스 관련 질병과 우울증 민감성에 관련이 있다고 알려져 있는데, 분석 결과 나무타기 쥐에서는 다형성이 결여된 것으로 확인되었다. 이는 나무타기 쥐가 아직 확인되지 않은 사람과는 다른 유전자 경로를 스트레스 반응에 이용할 수도 있다는 것을 보여준다. 이러한 게놈 분석은 나무타기 쥐에서 인간 우울증의 발생과 관련된 23개의 알려진 신경전달물질 운반체에 관련된 유전자를 확인하고 우울증 모델로의 활용 가능성에 힘을 더했다.

　

  또한 현재까지 침팬지를 제외한 동물은 HBV나 HCV에 감염되지 않았는데, 나무타기 쥐의 간세포는 HBV나 HCV에 감염될 수 있다는 보고가 나오고 있다. 인간과 나무타기 쥐의 HCV 감염 경로에 관련된 유전자를 비교 분석한 결과를 나타내는데 붉은색으로 표시 될수록 유전자들간의 종 간 유사성이 높음을 나타낸다.

　

  나무타기 쥐는 일반적인 쥐보다 사람과 더 유사한 수의 CYP(cytochrome P450) 관련 유전자를 가지고 있는 것을 보여준다. CYP는 약물대사와 관련된 가장 주된 효소이다. 나무타기 쥐와 사람의 유사한 CYP 관련 약물대사 신호경로는 부작용 연구 및 임상실험에서 활용 가능할 것으로 기대된다.

　

　

맺음말

　

  오랜 시간 나무타기 쥐가 생체의학연구와 신약연구의 모델로 활용 될 수 있다고 제안되어 왔음에도 불구하고, 확립된 게놈 데이터가 없어서, 이를 실현하는데 많은 어려움이 있었다. 하지만 NGS를 통한 나무타기 쥐 게놈의 확립은 나무타기 쥐와 인간의 면역, 신경체계, (약물) 대사작용 등에 관련된 유전자의 유사성을 확인 하였으며, 이는 나무타기 쥐의 생물학적 연구의 활용도를 비약적으로 상승 시킬 것으로 기대 된다.

　

　

참고문헌

　

Genome of the Chinese tree shrew

http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n2/full/ncomms2416.html

Somatostatin-immunoreactive senile plaque-like structures in the frontal cortex and nucleus accumbens of aged tree shrews and Japanese macaques

http://journals.ohiolink.edu/ejc/article.cgi?issn=00472565&issue=v41i0003&article=147_sspsitatsajm

Evaluating the phylogenetic position of Chinese tree shrew (Tupaia belangeri chinensis) based on complete mitochondrial genome: implication for using tree shrew as an alternative experimental animal to primates in biomedical research.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1673852712000380

　

　

저자

　

글 : Son.BongJun

편집 : Park.HyeonJi, Ahn.Kung

키워드 : Chinese tree shrews(tupaia belangeri chinensis), Alu/SINE element, innate bacterial defense mechanism, 면역글로블린(immunoglobulin lambda), CYP(cytochrome P450) 등