Notice04 Latimeria chalumnae

살아있는 화석, “아프리카 실러캔스” 게놈에서 사지동물의 진화 역사를 보다

그림 1 Latimeria chalumnae

 

  최근, 미국 MIT와 스웨덴 웁살라 대학 연구진은 살아있는 화석이라 불리며, 100년 이상 사는 것으로 추정되는 신비의 물고기 실러캔스(Coelacanth)의 게놈을 해독하였다.

 

  실러캔스는 4억년 전에서 7천만년 전까지 살았던 원시어류로 공룡과 비슷한 시기에 멸종된 것으로 여겨졌으나, 지난 1938년 남아프리카 코모로 섬 근해에서 70마리가 발견되며 세계의 이목을 끌었다. 아프리카 실러캔스(Latimeria chalumnae)의 게놈은 약 30억 개로 사람과 유사하여 오랜 기간 상당히 느리고 안정되게 변화하며 진화한 사실을 알 수 있었다.

 

  이번 연구는 고대 물고기들이 육지로 가며 진화되는 과정의 중요한 생물체인 실러캔스를 분석한 것으로, 생물학적 가치가 크다. 그간 실러캔스는 폐어류와 더불어 지느러미가 잘 발달되, 육상으로 올라와 사지동물로 진화하였다고 알려졌다. 그러나 연구결과에 의하면, 폐어류가 오히려 사지동물의 유전자와 가깝게 나타났다. 실러캔스의 게놈 사이즈가 인간과 유사하기 때문에 폐어류가 사지동물의 조상임을 단정지을 수는 없지만, 사지동물로의 진화를 밝히는 청사진이 될 것임은 분명하다.

 

사지동물과 가장 가까운 폐어와 실러캔스

그림 2 Protopterus annectens

 

  폐어와 실러캔스는 단백질을 생산하는 유전자가 다른 종에 비해 진화가 느렸고, 면역, 질소배설, 지느러미, 꼬리, 눈, 귀, 뇌, 후각 진화에 관련된 유전자가 있어서 인간과 가장 유사했다. 사지동물로의 진화에 관련된 유전자 조절을 확인하기 위해, 실러캔스 게놈이 중요한 것이다.

 

  실러캔스는 색상이 청색이고, 길이가 최대 2m에 이르며, 육상의 사지동물들과 눈이 닮은 20세기 가장 주목할 만한 동물학적 발견 중 하나이다. 초기 발견은 아프리카 동부 해안이였으나, 1997년 인도네시아에서 3억년을 거스른 화석과 비슷한 모습으로 발견되며 전세계의 이목을 집중시켰다. 진화생물학자들은 실러캔스가 마지막 물고기 조상이라는 가설로 땅으로 올라오게 된 유전자 변이를 확인하고자 하였다. 지난 15년간 미토콘드리아 게놈과 HOX 유전자를 비롯하여 몇몇 유전자 서열을 타겟 시퀀싱하였으나, 대규모 해독된 데이터가 부족하였다.

 

실러캔스의 게놈에서 사지동물과의 유사성

  아프리카 코모로 제도에서 발견된 실러캔스의 DNA를 추출하여 Illumina 시퀀싱에 의해 해독하였다. 실러캔스는 48개 염색체와 2.86Gb의 게놈 사이즈를 가지고 있었다. 근육(L.chalumnae)과 간, 고환(L.menadoensis)에서 DNA를 추출하여 전사체 해독(RNA-Seq)하여 다른 척추동물들과의 유사성을 확인하였다. 단백질을 생산하는 유전자는 19,033개이며, 전사체는 21,817개였다. 또한 실러캔스 혈통의 336개 유전자에서 중복된 서열이 존재하였다.

 

  최초로 땅에 올라온 물고기가 폐어 또는 실러캔스일 것이라는 가정하에, 43개 유전자 서열 데이터를 분석하여 육지 척추동물과의 연관성을 확인하였다. 전사체 해독으로 턱 척추동물 종을 선택하고 폐어의 뇌, 생식선, 신장, 창자, 간에서 샘플을 추출하였다. 폐어(Protopterus annectens)의 21개 유전자가 폐포에 연관되어 있었으며, 100,583개 아미노산 위치에 따라 사지동물의 척추 계통의 관계를 규명하여, 사지동물은 실러캔스보다 폐어에 밀접한 관련성을 가진다는 사실을 발견하였다.

 

느리게 진화되어 온 실러캔스

  현대 실러캔스는 형태학적으로 가히 살아있는 화석이라 불리울 만큼 천천히 진화되어 왔다. 다른 척추동물에 비해 실러캔스는 HOX와 proto-cadherins 같은 단백질을 생산하는 유전자 가족의 진화가 느리게 나타났다. 계통 분석으로 단백질을 생산하는 유전자의 신화를 확인하였으며, 두 가지 클러스터 테스트를 거쳤다. 세 가지 연골어류로 구성된 외집단과 실러캔스, 폐어, 닭, 포유동물의 클러스터 거리를 측정하여 z값으로 나타내었고, 실러캔스(1.0)가 폐어(1.05), 닭(1.09), 포유류(1.21)에 비해 느리게 진화한 사실을 알 수 있었다.

 

  실러캔스의 게놈에서이동성 유전인자가 풍부(25%)한 것을 확인하였고, 그 중에는 현재도 14개개의 이동성 유전인자가 활성화되어 있었다. 실러캔스와 사지동물의 게놈에서 염색체 발현이 중단되는 부위를 분석하여, 대규모 재배열이 사지동물에서 발생하는 것으로 구분하였다. 아프리카(L.chalumnae), 인도네시아(L.menadoensis)에서 발견된 실러캔스간 진화의 차이를 간과 고환의 전사체를 비교하여 확인한 결과, 99.73% 일치하였다.

 

육상으로 올라온 물고기들

사지발달

  육상으로 올라온 어류들의 척추 형성 적응과 관련된 게놈 변이를 식별하였다. 새로운 환경에서 적응에 불필요한 유전자가 제거되며, 사지동물의 게놈에서 누락된 유전자를 식별하는 방식으로 진행되었다. 누락된 유전자는 섬유아세포 성장인자(FGF), 형태학적 단백질(BMP), TGF-B와 뼈, WNT 신호 전달 경로뿐만 아니라 많은 전사인자를 포함한 50개 이상의 유전자이다. 네발의 경골 어류에서는 And1, And2, Fgf24, Asip2가 손실되었다. 물에서 육지로 전환하는 것에서 계통발생지점에 따라 특정 유전자가 손실되었는데, 그 중 meobox 유전자는 실러캔스와 사지동물 사이에 약간의 차이만 존재하며, 척추동물로의 진화과정에서 보존되었다. 사지가 진화하며 상완골이나 대퇴골, 반경과 척골, 경골과 비골, 손목과 발목이 물고기 지느러미에서 진화되었으며, 이는 HOX-D 유전자와 관련이 있었다.

 

질소순환

  질소 배출은 육지 척추동물의 생리현상이다. 수생환경에서는 질소배출은 독성을 띄기 전에 희석되어 사라진다. 어류는 요소나 요산 등의 독성이 적은 상태로 생성하는데, 대부분 암모니아 형태이다. 실러캔스와 폐어의 유전자 염기서열에서 아미노산 순환을 확인할 수 있었는데, 아르기닌 대사의 부산물로 요소를 생성하고, 질소 배출에 크게 에너지를 쏟지 않는다. 미토콘드리아 아르기닌 효소(ARG2)는 척추동물의 선택적 진화의 증거이다.

 

  또한 육지 생활에 적응하는 양막동물 중 포유류의 배아 세포막의 진화를 볼 수 있었다. 태반은 어머니와 태아 사이의 양분을 교환하는 복잡하지만 중요한 구조이자 조혈영역이다. 태반에 있는 배아 구조의 진화에 관련이 있는지, 실러캔스의 HOX-A 클러스터 영역을 발견하였다. 닭, 인간, 쥐, 뿔상어에서도 유사하게 발현하는 Hoxa14 유전자가 존재하였고, 이 유전자는 프로모터 활성화 능력에 관련 있었다. HA14E1영역이 포유류의 태반 조기형성에 중요한 HOXA 유전자를 조절한다.

 

맺음말

  실러캔스는 천천히 진화하며, 단백질을 발현하는 유전자가 낮은 비율로 존재한다. 정적인 서식지를 통해 진화의 척도를 확인할 수 있으며, 육지 적응에 기여하였다. 척추동물의 육지로의 전환은 진화역사에서 가장 중요한 단계이며, 사지동물 조상에 가장 가까운 물고기는 실러캔스보다 폐어라는 결론을 도출하였다. 폐어의 게놈 크기가 커서 유사 종인 실러캔스 게놈에 대한 이해가 중요하다.

 

참고문헌

The African coelacanth genome provides insights into tetrapod evolution

A living fossil in the genome of a living fossil: Harbinger transposons in the coelacanth genome.

Recruitment of 59 Hoxa genes in the allantois is essential for proper extra-embryonic function in placental mammals.

 

저자

글 : Kim.SooJeong

편집 : Park.HyeonJi, Ahn.Kung

키워드 : 실러캔스(Latimeria chalumnae, Coelacanth), 폐어(Protopterus annectens), HOX, proto-cadherins, FGF, BMP, WNT, ARG2, HA14E1, HOXA 등