Co-evolutionary dynamics of defense systems and anti-defense genes in chromosomes and mobile genetic elements of Enterobacteriaceae
6,907개의 엔테로박테리아세(Enterobacteriaceae) 게놈을 분석함으로써, 이 연구는 게놈 구획(염색체 대 이동성 유전 요소)이 방어 및 항방어 유전자의 특정 턴오버율에 영향을 미치지만, 이 유전자들은 서로 길항적 쌍을 형성하는지 여부와 관계없이 획득과 손실이 양의 상관관계를 보이며 박테리아 계통 전반에 걸쳐 진화적으로 결합된 역학을 나타낸다는 것을 밝혀냈다.
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박테리아는 미시 세계에서 수동적인 희생자가 아닙니다. 그들은 바이러스 및 다른 유전적 기생체들과의 끊임없이 이어지는 고위험 전쟁 속에 갇혀 있습니다. 생존을 위해 박테리아는 침입한 유전 물질을 인식하고 파괴하도록 설계된 분자 도구인 방대한 방어 체계를 진화시켜 왔습니다. 그러나 침입자들도 속수무책인 것은 아닙니다. 그들은 박테리아의 방어 체계를 무력화하기 위해 특별히 진화된 유전자인 자신들만의 대응 무기를 지니고 있습니다. 이러한 공격과 반격의 끝없는 순환은 급격한 진화적 변화를 주도합니다. 과학자들에게 있어 핵심적인 질문은 이 전투가 어디에서 벌어지는가 하는 점이었습니다. 이러한 방어 유전자와 그 대응책들은 박테리아의 주요 게놈의 안정적인 일부인가요, 아니면 박테리아 사이를 이동하는 플라스미드나 바이러스와 같은 이동성 유전 요소라는 탈것에 실린 일시적인 승객인가요? 이 유전자들의 위치를 이해하는 것은 이들이 얼마나 빨리 변하는지, 어떻게 퍼져 나가는지, 그리고 박테리아가 시간이 흐름에 따라 어떻게 면역 체계를 관리하는지를 이해하는 데 핵심적입니다.
연구팀은 의학과 산업 분야에 친숙한 많은 종을 포함하는 박테리아 그룹인 장내세균과(Enterobacteriaceae) 내의 이 진화적 경관을 지도화하기 위해 나섰습니다. 그들은 213개 종을 대표하는 약 7,000개의 박테리아 게놈의 유전 청사진을 조사했습니다. 유전자 가문의 역사를 추적하기 위해 정교한 통계 모델을 사용하여, 방어 유전자와 항방어 유전자가 진화 과정 동안 얼마나 자주 획득, 소실 또는 수적 변화를 겪었는지 추적했습니다. 그들은 이 유전자들을 물리적 위치, 즉 안정적인 박테리아 염색체에 내장되어 있는지, 아니면 프로파지(숙주 DNA에 통합된 바이러스), 플라스미드 또는 기타 이동성 유전 섬과 같은 이동성 요소에 실려 있는지에 따라 구분했습니다.
연구 결과, 방어 유전자의 위치가 그 진화적 운명을 결정한다는 사실이 밝혀졌습니다. 박테리아 염색체에 거주하는 유전자들은 이동성 요소에 있는 유전자들보다 훨씬 더 빠르게 교체되었습니다. 다시 말해, 주요 박테리아 게놈에 있는 방어 체계는 빈번하게 획득되고 버려졌으며, 높은 획득 및 소실률을 보였습니다. 반면, 프로파지에 의해 운반되는 방어 유전자는 매우 안정적이었으며 시간이 흘러도 거의 변하지 않았습니다. 플라스미드 및 유사한 이동성 요소에 실린 유전자들은 중간 수준의 안정성을 보였는데, 이는 프로파지 유전자보다는 많이 변하지만 염색체 유전자보다는 적게 변한다는 것을 의미합니다. 이는 박테리아의 염색체가 급격한 면역 실험의 온상인 반면, 박테리아 내부의 바이러스 승객들은 이러한 도구들의 더 보수적인 저장소 역할을 한다는 것을 시사합니다.
연구진은 또한 방어 유전자를 그들을 무력화하려는 항방어 유전자와 비교했습니다. 그들은 항방어 유전자, 특히 이동성 요소에 위치한 유전자가 그들이 겨냥하는 방어 유전자보다 훨씬 더 휘발성이 높다는 것을 발견했습니다. 이러한 대응책들은 더 높은 비율로 소실되거나 복제되었으며, 이는 그들이 적응하거나 사라지기 위해 강렬하고 변화하는 압박 아래 있음을 시사합니다. 그러나 이러한 차이에도 불구하고, 유전자를 얻고 잃는 전체적인 균형은 위치에 관계없이 일관되로 유지되었습니다. 유전자가 염색체에 있든 플라스미드에 있든, 새로운 획득과 소실의 비율은 놀라울 정도로 유사했습니다.
아마도 가장 중요한 발견은 이 전쟁의 양측 사이에 존재하는 긴밀한 진화적 결합이었습니다. 연구는 박테리아가 방어 체계를 얻거나 잃을 때, 그에 대응하는 항방어 체계도 종종 동시에 얻거나 잃는다는 것을 보여주었습니다. 이 상관관계는 서로 직접적으로 표적하지 않는 쌍에 대해서도 유효했는데, 이는 이 유전자들이 흔히 커다란 이동성 DNA 블록 형태로 함께 이동함을 암시합니다. 이 데이터는 박테리아 면역의 흥망성쇠가 단순히 고립된 사건들의 연속이 아니라, 유전 물질의 이동에 의해 주도되는 조정된 과정임을 시사합니다. 연구진은 유전자의 배경, 즉 유전자가 염색체에 있는지 아니면 이동성 요소에 있는지에 따라 이 면역 도구들이 진화하는 속도가 근본적으로 결정되며, 이동성 요소는 급격한 확산을 위한 탈것이자 안정성의 저장소 역할을 한다고 결론지었습니다.
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