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양서류는 어디서 왔나요?
그림 1 동물의 분류
해양 생태계는 다양한 생물 종들이 서식하고 있다. 그 중에서도 연체동물과 환형동물은 22,000~85,000가지 종을 가지는 큰 해양동물 계통이다. 어릴 때는 아가미로 수중호흡을 하면서 물에서 살고, 성장하면 폐와 피부를 통하여 호흡을 하면서 육상에서 살아서, 두 곳에서 산다는 의미의 양서류는 대표적인 동물은 개구리, 두꺼비, 맹꽁이 등이 있다.
양서류의 기원을 알기 위해 독일 하이델베르크의 분자생물학연구소에서 부엉이 삿갓조개(Lottia gigantean), 해양 다모류(Capitella teleta), 담수 거머리(Helobdella robusta)의 유전체를 최초로 해독하였다. 하나의 연체동물과 두 가지 환형동물의 유전체를 비교 분석하여 나선동물의 다양성을 확인하였으며, 다른 후생동물과 비교하여 8,756가지 양서류 유전자의 특징이 발현되었다. 유전자 손실이 대부분이라 유사성을 감지가 어려웠으나, De novo sequencing(최초 유전체 해독)을 통해 유전자 조직과 구조, 기능을 확인하고, 후생동물의 조상에서부터 보존되어온 유전자를 식별하여 특정 유전자의 진화와 고유한 특징을 확인하였다.
보존된 유전자의 증거
나선동물의 유전체를 기반으로 양서류에서 G 단백질1) 결합 수용체, 상피세포의 Na 채널, 신진대사에 관여하는 다양한 기능을 가지는 유전자를 새로이 확인하였다. 또한 BLAST2)를 통해 유전자의 47~85%가 보존되며, 보존되는 부위에 대해 조사하여 계통 분류를 할 수 있었다. 나선동물과 다른 동물 사이에도 보존되는 구조는 인트론에 풍부한 cis 결합으로, 이를 통해 조상의 유전자를 유추하였다. 양서류는 나선동물의 유전자를 거의 보존하지만, 편형동물의 유전자는 65%만 보존하여 유전체의 손실이 컸기 때문에, intron과 synteny3)를 관찰하였다.
위의 보존된 유전자 구조들을 발견하였다. 해양 다모류의 G단백질 결합 수용체의 신호에 관련된 유전자는 로돕신과 비슷한 신경성 분자와 수용체의 상호작용 경로에 영향을 끼쳤다. 372개 G단백질 결합 수용체를 암호화하는데, 부엉이 삿갓조개의 경우 유전자가 113개로 가장 많은 수를 가졌으나, 인간(120)보다 적은 수를 보유하여 신경성 감지에 둔감하였다. 또한 G단백질 결합 수용체의 칼슘 신호 경로에도 영향을 끼쳤다. 안테나, 촉수(palps), 권지(cirri), 목덜미기관(nuchal organ)으로 화학적 감각 기관을 가진 다모류의 구조와 기능에 관련된 유전자가 보존되었다.
담수 거머리의 경우, 감각 처리에 관련된 유전자의 변이가 발견되었다. 미각 전달 경로에서 간극연접, 이넥신(innexin) 유전자 가족, 상피세포의 나트륨 채널 수용체 유전자, 특정 대사 효소 및 경로에 영향을 끼쳤다. 이러한 변이로 인해 다양화와 분류를 진화시키는 결과를 가져왔다.
나선동물 3가지의 유전체 해독을 통해 231개 특정 유전자 간의 부엉이 삿갓조개, 해양 다모류와 담수 거머리 간의 유사성이 없음이 확인되었으며, 환형동물에서 양서류로 파생된 증거를, 초기 배아 조직의 진화에서 확인하였다. 또한계통분류는 유사 유전자로 하는데 본 연구에 이용된 3가지 종은 유전자의 독립적 진화가 이루어져서 정보가 제한적이였다. 진화 속도를 알아보기 위해 1,180개 클러스터와 299,129개 아미노산 위치를 보유한 유전자를 계통 분석하여 유전자의 진화를 확인하였다.
그림 2 나선동물의 다양한 계통과 후생동물과의 연관성 근거
[그림2]에서 a는 유전자의 진화과정에서 재조합 되어 희귀 염기서열을 구축하여 3가지 후생동물로 나누어 진화된 것을 확인할 수 있고, b는 후생동물의 계통분기, c는 선형, 편형동물을 indel에 따라 분리한 것이다.
그림 3 분자구조의 다차원 공간에서 후생동물 클러스터
[그림 3]은 분자구조의 후생동물 클러스터를 분석하여 다양한 후생동물을 구분한 것이다. 부엉이 삿갓조개와 해양 다모류, 담수 거머리는 3~8천만 년 전에 분기하였고, 주요 구성요소를 분석하여 다양한 기능 유전자를 발견하였다. 척추, 무척추 동물의 면역시스템에 관련된 유전자의 다양성을 확인하였고, 대략적인 양서류 조상 유전체를 유추하여 전구동물 중 절지동물과 같은 토양선충류(ecdysozoan, 엑디소조안)와 구별된 유전자의 기능을 발견했다.
Macrosynteny와 Microsynteny
Synteny는 같은 염색체 위치에 있는 유전체 지역을 의미한다. 부엉이 삿갓조개와 해양 다모류는 서로 광범위한 유전자 보존 지역인 macrosynteny는 염색체 재정렬이 독립적이다. 일반적 나선동물의 조상을 기준으로 담수 거머리는 대규모 유전자 재정렬로 인해 보존지역이 적지만, 부엉이 삿갓조개와 해양 다모류는 공통조상인 17가지 고대 양서류의 연관성 유전자 그룹인 ALG4)(ancestral linkage group)이 보존되고 있다. 독립된 유전자의 융합은 선구동물과 후구동물의 구별에 관련이 있으며, 이에 따라 담수 거머리의 경우 선구동물이고 나머지 두 종은 후구동물이다. 추가적으로 후구동물 중 꼬마선충(Caenorhabditis elegan), 거짓쌀도둑거저리(T'ribolium castaneum), 누에나방(B'''ombyx mori)과 같은 토양 선충류에서 ALG가 보존된 증거를 확인하였다.
그림 4 나선동물, 사람, 편형동물 사이의 macrosynteny
[그림 4]는 보존되는 유전자 지역을 확인하기 위해 고대 조상 유전체를 추적하여, 마지막 공통 조상의 유전체를 재조직화한 것이다. 유사하게 보존되는 유전자 지역이 macrosynteny는 광범위한 반면, microsynteny는 소규모이다.Microsynteny는 유사한 유전체에 연관된 3개 이상의 유전자 그룹이다. 주로 유전자 패턴이 보존되는 것에서 발견할 수 있는데, 조상 유전체에 긴밀하게 연결된 유전자의 주요한 예로 Hox 유전자가 있다.
그림 5 촉수담륜동물 3가지의 유전체와 선별된 양서류에서 Hox 유전자의 연관성
[그림 5]는 부엉이 삿갓조개는 11개의 Hox유전자를 가지고 있으며, 해양 다모류는 주요한 클러스터에 post1 유전자가 삽입되었다. 이를 통해 나선동물의 계보를 추론할 수 있다. 담수 거머리는 광범위한 보존 구역과 극단적인 유전자 재조직화로 다른 생물의 유전체에서 파생되지 않는 특징이 있다. 선구동물과 후구동물의 유전체에서 양서류에 보존된 부위 469가지의 순서가 무작위인데, 이 부위가 재정렬되면서 다양한 종으로 분기되었다. 이를 확인하기 위해서는 양서류 및 후생동물의 유전체에서 염색체 구조와 조직을 재건하여 기능을 확인해야 하는데, 진화되거나 새로운 유전자 가족의 indel과 소규모 유전체가 재정렬된 부위를 비교하기 위해서는 더 큰 샘플링이 필요하다. 20가지 서로 다른 “문”을 알고, 내부의 광범위한 유전체 변이를 확인하기 위해서는 다양한 종의 해독이 필요하다.
맺음말
그림 6 Lottia gigantean, Capitella teleta, Helobdella robusta
나선동물인 부엉이 삿갓조개, 해양 다모류와 편형동물인 담수 거머리의 최초 유전체 해독을 통해 양서류의 기원을 알아보았다. 양서류의 기원은 나선동물과 편형동물, 두 가지의 유전체에서 유래되었다.
- G 단백질 : 대사성 수용기(metabotropic receptor)와 결합되어 있는 단백질로서, 수용기가 자극될 경우 2차 전령을 활성화하여 세포 내의 다양한 생리적 과정에 영향을 준다.
- BLAST : The Basic Local Alignment Search Tool, DNA 혹은 단백질의 서열을 비교해 주는 프로그램
- Synteny : 염색체 상의 유전자 구성의 상동성
- ALG : ancestral linkage group, 같은 유전자가 다른 종에서도 같은 위치에 나타나는 것
참고문헌
Insights into bilaterian evolution fromthree spiralian genomes
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature11696.html
The repertoire of G protein-coupled receptors in the human parasite Schistosoma mansoni and the model organism Schmidtea mediterranea.
http://www.biomedcentral.com/1471-2164/12/596
Improving animal phylogenies with genomic data.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21414681
저자
글 : Park.Hyeonji
편집 : Park.Hyuna
키워드 : De novo sequencing, ALG, synteny, Microsynteny, Macrosynteny, Lottia gigantean, Capitella teleta, Helobdella robusta, Hox 등
