생물의 모습이나 행동은 유전자가 만들어내는 단백질의 기본 단위인 아미노산 서열 변화에 좌우되는 것으로 여겨졌다.국내 연구팀이 예쁜꼬마선충의 유전자와 '히치하이킹' 행동을 분석해 세포의 유전자 발현 조절만으로 새로운 형질이 생길 수 있다는 사실을 밝혀냈다.
이준호 서울대 생명과학부 교수팀은 전 세계에 널리 분포한 생물인 예쁜꼬마선충의 유전자와 행동 분석을 통해 특정 세포의 유전자 발현 조절만으로 새로운 형질이 생겨날 수 있다는 사실을 밝혀내고 연구결과를 1일(현지시간) 국제학술지 '미국 국립과학원회보(PNAS)'에 공개했다.
형질은 유전자가 표현되는 형태다.하나 또는 몇 개의 유전자로 결정되는 꽃의 색깔도 있고 동물의 키나 행동처럼 여러 유전자에 복합적 영향을 받는 형질도 있다.진화의 과정에서 새로운 형질,로또 구입한도특히 서로 다른 종 사이에 일어나는 상호작용 행동을 조절하는 유전자 기전에 대한 연구가 실험적으로 이뤄진 바는 거의 없다.
연구팀은 예쁜꼬마선충이 새로운 서식지로 찾아가기 위해 다른 종에 '히치하이킹'을 한다는 점에 주목했다.열악한 환경에서 성장한 선충은 다우어(dauer)라는 휴면 상태 유충이 되는데 다우어 유충은 '닉테이션(nictation)'이라는 몸을 세우고 흔드는 행동을 보인다.닉테이션을 잘하는 다우어가 초파리나 쥐며느리처럼 더 큰 동물의 등에 올라타 이동할 수 있다는 사실은 실험적으로도 확인됐다.
세계 각지에서 채집된 예쁜꼬마선충 137종의 닉테이션 행동 빈도 분포(왼쪽)와 특정 유전자의 프로모터 발현에 따른 닉테이션 행동 변화를 설명한 그림(오른쪽).서울대 제공
지구 곳곳에서 널리 발견되는 동물인 예쁜꼬마선충들의 히치하이킹 행동은 품종에 따라 서로 다른 빈도로 일어난다.연구팀은 전체 유전체 사이의 연관성을 분석하는 전장유전체 연관분석(GWAS) 등 다양한 유전학적 분석을 통해 예쁜꼬마선충의 차이를 만드는 염기서열 변이를 단일 유전자 수준에서 파악했다.분석 결과 '스테로이드 생합성효소' 유전자가 예쁜꼬마선충의 행동 차이를 조절한다는 것이 확인됐다.
진화 과정에서 새로운 성질이 나타나거나 없어지는 분자적 기전은 단백질의 재료인 새로운 아미노산 서열의 출현으로 설명될 것으로 예상됐다.이번 연구에서 규명한 생합성효소 유전자는 단백질을 구성하는 아미노산의 변화가 아닌 유전자 프로모터의 서열 변이로 행동이 조절됐다.프로모터는 유전자에 있는 단백질 암호 서열 앞에 위치하는 조절 부위로 이곳에 효소가 결합하면서 유전자 발현이 시작된다.
연구팀은 "특정 세포에서 특정 시간의 특정 유전자의 발현 유무가 형질의 유무를 결정한다는 것을 발견한 것"이라고 설명했다.나아가 연구팀은 해당 효소가 선충의 신경아교세포(Glial cell)에서 발현되면 히치하이킹 행동이 억제된다는 사실도 밝혀냈다.
또 닉테이션 행동이 자주 일어날수록 선충의 번식에 유리할 것으로 예상되지만 닉테이션이 드물거나 잦도록 하는 염기서열 모두 예쁜꼬마선충에 오랜 시간 함께 존재했다는 사실도 함께 밝혀졌다.
연구팀은 "여러 이유가 있을 수 있지만 열악한 환경에서 벗어난 이후에는 닉테이션이 적은 선충이 오히려 빠르게 번식할 수 있다는 점을 확인했다"고 말했다.환경에 따라 서식지 이동 능력과 번식 속도 증가가 균형을 이루도록 했기 때문에 두 유형의 유전자가 공존할 수 있었다는 분석이다.
연구팀은 "진화적으로 새로운 형질이 생겨나기 위해서는 특정 세포에서 유전자 발현 조절만으로도 가능하다는 점을 자연 변이로부터 확인했다는 점이 연구 의의"라고 설명했다.
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