돼지 유전체 해독으로 얻은 포유류의 진화 분기

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Figure 1 sus scrofa 종의 야생형과 사육형

돼지는 멧돼지과에 속하는 잡식성 포유동물로 설치류와 영장류와는 별개의 계통으로 진화해왔으며, 350~530만년 전 빙하기를 거치며 동남아시아에 나타났다. 그렇게 만년 전부터 유라시아를 거쳐 한국을 포함한 아시아 전역에서 개량되어지기 시작했다. 우리나라를 포함한 8개국 132명의 연구자가 돼지의 모종인 듀록 종의 유전자 지도를 완성했다.

국내 듀록 종(Sus scrofa) 암퇘지와 유럽 및 아시아 지역에서 야생종 및 사육종의 돼지의 게놈과 비교하여 조립 및 분석을 하였다. 분석 결과, 국내 듀록 종은 백만 년 전, 야생 돼지가 유럽과 아시아로 분화되었고, 국내로 들어와 사육종이 되었다는 사실을 알아냈다.

또한 스윕 분석(sweep analysis)¹⁾를 이용하여 RNA 프로세싱 및 규제에 관련된 유전자와 면역반응, 후각에 관련된 유전자의 빠른 진화 속도를 확인하였다. 이를 통해 중요한 가축 종의 개량이 가능해지고, 질병을 일으키는 변이들을 이용하여 인간의 생물의학적 모델로 이용될 것이다.

돼지 유전체 해독

돼지 게놈은 생어시퀀싱(Sanger Sequencing)과 전장유전체 시퀀싱(Whole genome sequencing)으로 높은 품질의 새로운 돼지 게놈 2.6Gb를 생성하였고, LINE(Long Interspersed Elements)²⁾, SINE(Short Interspersed Elements)³⁾, LTR(Long Terminal Repeats)⁴⁾과 돼지 게놈의 반복되는 서열(PRE; Porcine Repetitive Element)로 다른 포유류와의 분화시기를 추정하였다.

돼지 게놈의 진화

돼지 단백질 암호화 유전자의 돌연변이 속도와 유형을 여섯 포유류(인간, 쥐, 개, 말, 소, 돼지)를 이용하여 확인한 결과, 그룹 내 동일한 변이가 9,000가지나 되는 것을 발견하였다. 유전자의 동일 부위 치환과 동일하지 않은 부위 치환의 비율을 측정하여 분석한 결과를 이용한 6가지 포유류의 계통분류를 나타내었다. 비율이 클수록 진화 중 유전자의 보전이 이루지지 않아 다양하게 분화되는 결과를 보인다. 쥐는 84가지인 반면, 돼지는 331가지로 많은 돌연변이가 빠르게 발생되었다. 그 이유는 면역 유전자가 동일하지 않아서 빠른 속도로 진화한 것이다.

무작위로 선택된 돼지의 유전자에서 발현된 158가지 면역 관련 단백질은 빠른 속도로 진화하였다. 돼지와 소는 CD1D, TREM1, TRAF3, IL1B, SCARA5 유전자에서 아미노산의 변이로 인해 PRSS12 단백질의 변형을 감지하였다. 1,200가지 전사체의 특정 서열에 주석을 다는 IRAG 프로젝트의 결과로, 염색체에 알려진 유전자의 정보, 전사체, 단백질 암호화, pseudogene⁵⁾으로 유전자 예측 등을 확인 할 수 있다.

뿐만 아니라 면역 유전자 별 인간, 쥐, 소, 돼지 종의 차이를 확인하였다. 기존에 알려진 인터페론이나 특정 세포에서 확장하여 비교한 결과이다. 돼지는 인간과 쥐에 비해 많은 16개 pseudogene에서 39개 interferon I (인터페론 I) 유전자가 확인되었다. 또한 인터페론의 하위 유형 중 D형과 T형의 진화가 많고 이소형이 많다는 특징이 있었다.

돼지에서 면역과 관련된 내성 유전자,IL1B, CD36, CD68, CD163, CRP와IFIT1, RDH16 중에서 IL1B는 유전자의 중복이 있었으며, CD36은 소 게놈에도 포함되었다. CD36 유전자의 경우, 주요 조직 호환성을 가지는 복잡한 면역 글로불린과 T세포 수용체, 킬러세포 수용체 loci의 주요 면역 유전자이다.

면역뿐 아니라 돼지의 후각 수용체의 상당 수가 후각에 관련된 유전자로 1,301개나 되었다. 결과는 부분적 후각 수용체 유전자 343개를 포함한 수치로, 후각이 뛰어나다고 알려진 개가 1,094개인 점을 감안하면 돼지의 뛰어난 후각이 과학적으로 검증된 것이다.

종간 위치적 복제 유전자의 보전과 진화시기 추정

돼지 게놈을 정렬하여 종간의 위치적 복제가 일어나는 부위를 확인한 결과, 5번 염색체의 300kb, 500kb 부위에서 돼지의 진화 분기 중단점 192개를 발견하였다. 반복되는 서열의 대립유전자가 돼지 혈통에 있어서 염색체 진화에 영향을 끼친 것이다. 또한 이 부위에서는 LTR-ERV1(LTR endogenous retrovirus 1; 내생 레트로 바이러스) 트랜스포존(transposon)⁶⁾이 많았고, 미각에 관련된 유전자가 풍부하였다.

발견된 미각에 관련된 유전자는, SCNN1B 유전자로 염화나트륨 감지를 제한하고, 나트륨 채널에 관련되어 있다. ITPR3 유전자는 이노시톨 삼인산과 우마미⁷⁾, 달콤한 맛의 인식에 관여하며, 칼슘 채널과 관련이 있다.

소는 18곳, 말은 19곳, 인간은 25곳에 비해 돼지는 14곳의 쓴맛 유전자가 진화 분기 중단점 두 군데에서 발견되었다. 맛에 관련된 네 가지 수용체(TAS1R2, TAS2R1, TAS2R40, TAS2R39) 중에서도 돼지는 쓴맛에 둔감하다. 쓴맛 수용체의 전달경로를 보여주는 그림으로 SCNN1B와 ITPR3 유전자가 조절에 큰 영향을 끼친다.

종 분화의 다양성

10마리의 야생 돼지에서 평균 1,700만 SNP(single nucleotide polymorphism)를 확인하였고, 그 중 4마리의 아시아 야생 돼지는 약 2,200만의 SNP를 가지고 있어서 6마리의 유럽 야생 돼지보다 많았다. 높은 염기 다형성을 보여주는 그래프와, 80만~160만년 전 빙하기 동안 유라시아에서 유럽과 아시아로 분화된 것을 보여주는 계통 분화도가 있었다.

돼지가 유라시아에서 아시아로 분화된 후 중국에 도착하여, 환경의 영향으로 인해전장유전체의 서열이 변하게 되었다. 이를 통해 네덜란드, 이탈리아 등 유럽으로 분화된 야생 돼지의 수가 증가함을 확인할 수 있었다. 반면 북중국과 남중국은 인간이 나타나기 시작한 시기에 인구의 급감을 확인할 수 있다.

최근 네안데르탈인과 호모사피엔스의 서열 비교에 사용된 분석법을 이용하여, 두 집단의 분기 이후 강한 선택성에 따라 파생된 대립 유전자를 확인하였다. 게놈의 1% 정도인 365개의 단백질 암호화 유전자의 차이를 보였고, 이러한 유전자들은 염색체의 중심부위와 끝부분의 재조합이 잘 이루어지는 위치에서 관찰되었다.

ERI2와 SSC3 유전자 주변의 진화된 유전자의 선택성이 강한 것을 관찰하였다. ERI2 유전자의 3번 엑손에서 Cys52Arg과 His358Leu는 miRNA 전사를 저하했고, 분화하며 내장에 서식하는 꼬마선충(Caenorhabditis elegan)의 부패가 감지되었다. 내장의 꼬마선충의 존재를 이용하여 거주 환경의 차이를 유추할 수 있다.

돼지는 주로 서부 유라시아와 동아시아에서는 사육을 통해 인간에게 길들여져 있다. 그래서 두 집단의 품종 사이에는 명확한 구별이 가능하다. 유럽 품종에는 전적으로 아시아 품종의 교잡에 의해 설명될 수 없는 계통을 형성하였다.

맺음말

돼지는 유전자 이식 동물로 이용하므로 생물 의학 모델로서의 가치가 크다. 자연적으로 발생한 변이 또한 연구되고 있고, 돼지의 단백질 서열이 인간과의 공통 부위를 비교함에 이르고 있다. 비만(ADRB3, SDC3)과 당뇨병(PPP1RA, SLC30A8, ZNF615), 파킨슨 병(LRRK2, SNCA)와 알츠하이머 병(TUBD1, BLMH, CEP192, PLAU)과 같은 인간의 질병과 비슷한 아미노산이 112개나 위치하고 있다는 점도 중요한 동물임에 기여하고 있다. 또한 다른 연구에서는 48마리 돼지에서 142개의 헤테로 유전자가 인간 질병에 관련이 있는 6가지 단백질의 변형을 일으킬 수 있음을 식별하였다. 그러나, 돼지는 높은 염기 다양성을 가지고 있음에도 변이의 발견은 인간보다 적었다. 돼지와 인간 사이의 감염에는 내성의 레트로 바이러스가 잠복하여 낭내 감염입자와 유방 종양을 일으킬 수 있다는 이론과는 달리 실험에서는 발견되지 않았다.

이번 연구는 농업 생산과 생물 의학 연구, 두 분야에서 돼지의 효율적 사용을 가능하게 하는 귀중한 자원으로 제공되었다. 차세대 시퀀싱 기술을 이용한 고품질의 돼지 참조 유전 서열을 생산하여 국산 돼지의 분화를 연구하는 데 기여할 것이다.

스윕 분석(sweep analysis) : RNA 프로세싱과 조절에서 진화된 유전자의 선택
LINE(Long Interspersed Elements) : LINES는 원래 RNA 중합효소II에 의해 전사된 역전사된 RNA를 보여주는 긴 DNA 배열
SINE(Short Interspersed Elements) : RNA 중합효소III에 의해 유래된 역전사된 RNA(즉, tRNA, 5S rRNA 등를 보여주는 짧은 DNA 배열
LTR(Long Terminal Repeats) : RNA 유래 전이인자
Pseudogene : 유전자 기능을 잃고 있는 DNA의 영역
트랜스포존(transposon) : 세포 내에 있는 DNA분자를 스스로 전이할 수 있는 특수한 구조를 가진 DNA의 단위
우마미 : 혀가 느낄 수 있는 단맛, 신맛, 짠맛, 쓴맛 외의 제 5의 미각. '우마미'는 일본어로 '맛이 좋은 느낌'이라는 뜻을 가진다.

참고문헌

Analyses of pig genomes provide insight into porcine demography and evolution

http://www.nature.com/nature/journal/v491/n7424/full/nature11622.html

Evolution of the porcine (Sus scrofa domestica) immunoglobulin k locus through germline gene conversion.

http://rd.springer.com/article/10.1007/s00251-011-0589-6#page-1

Organization, complexity and allelic diversity of the porcine (Sus scrofa domestica) immunoglobulin lambda locus.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22186825

저자

글 : hjpark

편집 : Thkim

키워드 : 돼지(domestic pig, Sus scrofa), 시퀀싱(sequencing), 유전자 이식 동물, phylogeny, demographic history(인구 통계학 역사), heterozygosity, sweep region, Illumina whole-genome shotgun (WGS), de novo assembly 등

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