[사이언스 데일리] 과학자들이 공룡의 주둥이에서 새의 부리가 만들어진 분자 과정을 성공적으로 재현해냈다.

(2015년 5월 12일 사이언스 데일리 기사 번역)

정보출처: 예일 대학

과학자들이 공룡의 주둥이에서 새의 부리가 만들어진 분자 과정을 성공적으로 재현해냈다. Credit: Image courtesy of Yale University화석기록을 가이드 삼아서 예일대학의 고생물학자이자 발달생물학자인 바트-안잔 S. 불라와 하버드의 발달생물학자인 아랏 아브자노프가 이끄는 연구팀이 새 두개골의 특징을 과거의 형태로 되돌리는 데 최초로 성공했다. 과학자들은 연구실에서 조류의 조상에서 볼 수 있었던 분자 발달 과정을 재현하여 닭의 배아가 벨로키랍토르나 시조새와 같은 소형 공룡과 비슷한 모양의 주둥이 및 입천장을 가지도록 만들어 냈다.

하지만 이것을 공룡-닭이라고 부르지는 말아주시길.

“우리가 가졌던 목표는 중요한 진화적 전환의 분자적 바탕을 이해하는 것이지 단순히 ‘공룡-닭’을 만들려고 한 것은 아닙니다.” 5월 12일에 학술지 이볼루션 (Evolution) 에 온라인으로 발표된 논문의 주저자인 불라의 말이다.

공룡이 가졌던 여러 생리학적 요소들을 다시 만들어낼 수 있는 기작을 찾는 것이 한동안 대중들의 인기를 끄는 주제였다. 분자생물학자인 잭 호너의 2009년 책 “공룡 만들기” 에서부터 곧 개봉될 헐리우드 영화 “쥬라기 월드”에 이르기까지 온갖 곳에 등장해 왔다.

이번 연구의 매력은 조류의 해부학적 구조에서 부리가 얼마나 중요한가 하는 점에서 나온다. “부리는 조류의 섭식 도구에서 중요한 부분이고 조류의 골격 가운데 아마 가장 광범위하고도 급진적으로 다양한 형태를 가지고 있는 부분일 겁니다. 여러 새들 중에서도 플라밍고, 앵무새, 매, 펠리컨, 그리고 벌새 같은 것들을 보세요.” 불라의 설명이다. “하지만 부리가 해부학적으로 정확히 무엇인지, 그리고 부리가 어떻게 그런 모양을 가지게 되었는지 진화적으로나 발생학적으로나 연구가 많이 되어 있지 않습니다.”

이번 연구에서 불라와 동료들은 부리의 골격 부분을 만드는데 관여하는 분자 기작을 발견하기 위한 새로운 접근법을 자세히 설명하고 있다. 먼저 이들은 연관된 화석 및 현생 동물의 해부학적 특징들에 대해 정량적인 분석을 하여 전환에 대한 가설을 만들어 냈다. 그 다음으로 이들은 이 전환과 상관관계가 있는 유전자 발현이 어떻게 달라질 수 있는지를 탐색했다.

연구팀은 에뮤, 악어, 도마뱀, 그리고 거북이의 배아에서의 유전자 발현을 살펴 보았다. 연구자들은 주요 현생 조류의 두 계통 (쉽게 볼 수 있는 신악류와 그보다는 드물게 눈에 띄는 고악류) 이 조류가 아닌 파충류의 주요 계통들 (악어, 거북, 그리고 도마뱀) 및 포유류와는 다르게 배아 발생 단계의 초기에 두 개의 얼굴 발생 유전자가 얼굴 중심선 주위에 독특한 유전자 발현 구역을 가진다는 것을 발견했다. 이 얼굴 중심선에 위치한 유전자 발현 구역은 이전에는 닭에서만 관찰되어왔다.

작은 분자로 이루어진 억제제를 사용해 닭의 배아에서 조류에만 있는 얼굴 중심선 신호 구역에서 만들어지는 단백질의 활동을 막자 연구자들은 조류의 조상에서 있었을 것으로 보이는 분자 활동을 유도하여 조상의 해부학적 구조를 만들어낼 수 있었다. 부리 구조가 과거의 형태로 되돌아갔을 뿐 아니라 입 천장에 있는 입천장뼈 (palatine bone) 역시 새의 조상에서 볼 수 있었던 형태로 되돌아갔다. “뜻밖의 결과였습니다. 단순한 하나의 발달 기작이 기대하지 않았던 넓은 범위의 효과를 가져온다는 것을 보여주는 거죠.” 불라의 말이다.

이 연구를 위해 불라는 루이지애나 남부의 로커펠러 야생동물 보호구역에 있는 악어 둥지에서부터 매사추세츠에 있는 에뮤 농장까지 돌아다녀야 했다. 불라는 특정 유전자의 발현을 찾는 목적으로 유전물질의 일부를 복제하기 위해 다양한 종들로부터 DNA 를 추출했다.

불라는 이번 연구가 여러 함의를 가지고 있다고 말한다. 예를 들어 어떤 분자 기작 하나가 이런 전환을 일으킬 수 있었다면 화석 기록에서도 이에 상응하는 쌍을 이루는 전환을 볼 수 있어야 한다. “이것은 헤스페로르니스를 통해서 증명이 됩니다. 예일 피바디 자연사 박물관의 오트니엘 찰스 마쉬가 발견한 헤스페로르니스는 현생 조류의 가까운 친척인데, 여전히 이빨을 가지고 있으며 현생 조류와 마찬가지로 하나로 합쳐지고 길쭉한 전상악골 형태의 부리는 물론이고 현생 조류의 것과 같은 입천장뼈를 가지고 있는 가장 원시적인 줄기군 조류입니다.” 불라의 말이다.

전상악골은 대부분의 동물 윗턱 끝부분에 있는 작은 뼈인데 새의 경우에는 이것이 커지고 하나로 합쳐져 부리를 이룬다.

불라는 이와 동일한 접근법이 많은 수의 주요 진화적 전환의 바탕이 되는 발달 기작을 조사하는 데 이용될 수 있을 것이라고 지적했다.

이 외의 교신저자들로는 하버드의 자카리 모리스, 엘리자베스 세프턴, 남궁범진, 재스민 카마초와 웁살라 대학의 아탈레이 톡, 토호 대학의 마사요시 토키타, 그리고 캔사스 대학의 데이비드 번햄이 있다.

참고문헌

Bhart-Anjan S. Bhullar, Zachary S. Morris, Elizabeth M. Sefton, Atalay Tok, Masayoshi Tokita, Bumjin Namkoong, Jasmin Camacho, David A. Burnham, Arhat Abzhanov. A molecular mechanism for the origin of a key evolutionary innovation, the bird beak and palate, revealed by an integrative approach to major transitions in vertebrate history. Evolution, 2015; DOI: 10.1111/evo.12684

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