[사이언스 데일리] 필요한 것이라고는 6억 년도 더 전에 일어난 변이 하나 뿐이었다. 새로운 연구에 의하면 이 무작위적인 사건으로 인해 단세포생물이었던 우리의 조상이 조직화된 다세포 유기체로 변화할 수 있게 해준 단백질의 새로운 기능이 만들어졌을 것이라고 한다.

6억 년 전 단백질 상호작용에 생긴 진화적 변화가 지구 상의 생명을 바꾸어 놓았다고 한 연구팀이 제안했다.

(2016년 1월 7일 사이언스 데일리 기사 번역)

정보출처: 오레건 대학

위에 보이는 것은 분열 중인 동정편모충류의 형광 현미경 사진. 파란 색은 DNA, 초록색은 편모와 방추체다. 아래에 보이는 것은 작은 동정편모충류의 군체로 그 중 하나가 분열 중이다. 오레건 대학의 프리호다 연구실에서는 편모와 분열 방향의 관계가 동물에서 볼 수 있는 조직화된 다세포성의 진화에 중요한 역할을 했을 것이라는 의견을 내놓았다. Credit: Ken Prehoda

필요한 것이라고는 6억 년도 더 전에 일어난 변이 하나 뿐이었다. 이 무작위적인 사건으로 인해 단세포생물이었던 우리의 조상이 조직화된 다세포 유기체로 변화할 수 있게 해준 단백질의 새로운 기능이 만들어졌다.

이것이 오레건 대학의 생화학자 켄 프리호다 연구실에서 기초연구를 통해 — 그리고 분자시간여행을 통해 — 내놓은 시나리오이다.

이 변이와, 이로 인해 생긴 단백질 상호작용의 변화에 대한 자세한 내용이 오픈액세스 학술지인 ‘이라이프 (eLife)’ 에 실렸다. 이라이프는 하워드휴즈의학재단, 막스플랑크학회, 그리고 웰컴트러스트의 후원으로 2012년에 출범했다.

이번 연구는 과학자들이 진화에 대해 가져왓던 몇 가지 중요한 질문을 다룬다고 오레건 대학 분자생물학연구소의 소장이자 화학 및 생화학과의 교수인 프리호다는 말한다. 또 암과 같은 질병의 상태에 대한 연구에도 함의를 가지는데, 이 경우 손상된 세포가 더 이상 체내의 다른 세포들과 협력하지 않고 각자가 제 갈 길을 가는 단세포 상태로 되돌아가게 된다.

변이는 좋은 결과를 가져올 수도, 나쁜 결과를 가져올 수도 있으며 심지어 둘이 뒤섞인 결과를 가져올 수도 있다고 프리호다는 말한다. 프리호다의 연구실에서는 일단 단백질이 세포 내에서 어떻게 작동하는지에 초점을 맞추었다.

“단백질은 세포 내에서 일을 도맡아 합니다. 대사와 같은 다양한 종류의 임무를 수행하지요.” 프리호다의 말이다. “하지만 한 임무를 수행하는 단백질이 어떻게 다른 임무를 수행하도록 진화할 수 있을까요? 그리고 세포들이 조직화된 방식으로 함께 작동하게 하는 복잡한 시스템들에서 필요로 하는 여러 종류의 서로 다른 단백질들이 어떻게 진화할 수 있었을까요? 우리 연구에서는 새로운 단백질의 기능이 아주 적은 수의 변이만으로 진화할 수 있었으리라고 보고 있습니다. 이 경우 (단세포에서 다세포로의 진화) 에는 딱 하나의 변이만이 필요했습니다.”

이번 연구를 위해 프리호다의 연구팀은 캘리포니아 대학 버클리의 니콜 킹 그룹의 도움으로 동정편모충류를 살펴보기 시작했다. 동정편모충류는 자유생활을 하는 단세포 유기체로 동물과 가장 가까운 친척 뻘로 간주된다. 해수에 살며 해면동물과 비슷한 이 유기체는 짧고 바깥쪽으로 뻗어 있으며 편모라고 불리는 꼬불거리는 꼬리를 가지고 있는데, 이것을 이용해 동정편모충류는 움직이기도 하고 먹이도 찾는다. 동정편모충류는 독립생활을 하는 단세포 형태로도, 군집을 이루는 다세포 형태로도 존재한다.

프리호다와 동료들은 오레건 대학 소속이었다가 현재는 시카고 대학에 있는 생물학자 조지프 W. 손튼이 개발한 조상 단백질 재구성 기법을 이용했다. 유전자 염기서열과 계산 방법론을 이용해 진화계통수를 거꾸로 거슬러 올라가면서 연구자들은 분자의 변화를 확인하고 오래 전 과거에 단백질이 어떤 기능을 수행했는지 알아볼 수 있었다. 이번 연구에서 40 종류 이상의 유기체에서 수집한 유전자 염기서열이 사용되었다.

연구팀의 노력을 통해 결과적으로 더 이상 이 꼬리를 필요로 하지 않는 조직화된 다세포 동물로 가는 길을 열어주는 데 중요한 역할을 했던 변이를 확인할 수 있었다.

이들은 또 동정편모충류의 편모가 여러 세포로 이루어진 군체를 조직하는 데 중요하다는 것을 알아내어 단세포였던 우리의 조상이 다세포 생활로 전환하는 과정에서도 이와 유사한 일이 있었으리라는 짐작을 할 수 있게 되었다.

프리호다의 연구팀은 효소에 대한 정보를 담은 유전자가 세포 안에서 복제되고, 복제된 유전자 중 하나에 변이가 일어나 새로 만들어진 세포의 방향을 잡고 정렬할 수 있게 되면서 꼬리의 역할이 덜 중요해졌을 것이라고 보고 있다. 이 변이로 인해 만들어진 단백질 도메인은 오늘날 모든 동물의 유전체는 물론 동물과 가까운 친척인 단세포 챙물에서 발견되지만 다른 형태의 생명에서는 찾아볼 수 없다.

“이 변이는 단백질의 기능을 극적으로 바꿔놓아 완전히 다른 임무를 수행할 수 있게 해준 작은 변화였습니다.” 프리호다의 말이다. “우리 몸 안에 이제는 여기에서 유래한 단백질이 70종류 이상 있으니 동물이 이 단백질을 아주 좋아했던 셈이지요.”

프리호다와 손튼 외에 논문의 공저자로는 오레건 대학의 박사과정 학생이었던 더글라스 P. 앤더슨 (현재는 유진에 위치한 써모 피셔 사이언티픽 사 소속) 와 빅터 핸슨-스미스 (현재는 캘리포니아 대학 샌프란시스코 소속), 오레건 대학의 학부생으로 클라크 하너스 칼리지 학생이자 오레건 대학의 과학 소양 프로그램을 이수한 (Science Literacy Program) 윌리엄 캄포도니코-버넷, 밀워키의 위스컨신 의대 학생인 더스틴 S. 휘트니와 브라이언 F. 볼크만, 그리고 하워드휴즈 의학연구소 및 캘리포니아 대학 버클리 소속인 아리엘 워즈니카와 니콜 킹 등이 있다.

미국 국립보건원은 연구지원금 R01GM087457 로 프리호다를, R01GM14397 로 손튼을, R01GM089977 로 킹을 지원했다. 손튼은 HHMI 의 젊은과학자상을 통해서도 지원을 받았다.

참고문헌

Douglas P Anderson, Dustin S Whitney, Victor Hanson-Smith, Arielle Woznica, William Campodonico-Burnett, Brian F Volkman, Nicole King, Kenneth E Prehoda, Joseph W Thornton. Evolution of an ancient protein function involved in organized multicellularity in animals. eLife, 2016; 5 DOI: 10.7554/eLife.10147

카테고리:번역, 기타무척추동물, 사이언스 데일리, 생물학, 선캄브리아시대, 현생

태그:다세포생물, 동물의 기원, 동정편모충류