Nationwide multi-omics profiling of Japanese jack mackerel reveals geographic gut microbiome structuring despite host panmixia
일본고등어(*Trachurus japonicus*)가 감지 가능한 지리적 집단 구조가 없는 혼합 교배된 숙주 게놈을 나타냄에도 불구하고, 전국적인 멀티오믹스 프로파일링은 이 종의 장내 미생물군집이 유의미한 지리적 구조를 보인다는 것을 밝혀냈으며, 이는 미생물 군집이 숙주 유전학이 실패하는 고도로 연결된 해양 종에서 지역적 차별화를 나타내는 효과적인 표지자가 될 수 있음을 입증한다.
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광활하고 변화무쌍한 대양 속에서, 많은 어종은 섞임의 명수들이다. 그들은 먼 거리를 헤엄치고, 그들의 새끼들은 강력한 해류를 타고 떠돌며, 넓은 수역에 걸쳐 자유롭게 번식한다. 이 동물들을 이해하려는 과학자들에게 이러한 자유는 하나의 수수께끼를 만들어낸다. 물고기 개체군이 너무 잘 연결되어 있어 서로 다른 곳의 개체들이 완전히 뒤섞이게 되면, 그들의 유전자는 균일한 혼합물이 된다. 이러한 경우, 동물의 DNA를 조사하는 것은 그 물고기가 어디서 태어났는지 또는 어디에서 살았는지를 밝혀내는 데 실패하는 경우가 많다. 이러한 유전적 차이의 부재는 수산물의 원산지를 추적하거나, 국지적인 환경이 이 생명체들을 어떻게 형성하는지 이해하는 것을 어렵게 만든다. 그러나 물고기 자체가 유전적으로 동일해 보일지라도, 그들을 둘러싼 세계는 그렇지 않다. 한 만(bay)의 수온, 현지의 플랑크톤, 그리고 이용 가능한 특정 먹이는 다른 곳의 것들과 다르다. 새로운 탐구 방식은 물고기의 장 속에 사는 미생물 공동체가 이러한 국지적 차이의 기록을 간직하여, 숙주의 유전자가 매끄럽게 지워버린 생물학적 서명 역할을 할 수 있는지 묻는다.
한 연구팀은 일본 주변 해역에서 발견되는 상업적으로 매우 중요한 어종인 가다랑어(Japanese jack mackerel)를 사용하여 이 아이디어를 테스트하기 위해 연구를 시작했다. 이 물고기들은 연결성이 높은 것으로 알려져 있으며, 이전 연구들은 북쪽과 남쪽의 개체군 사이에 명확한 유전적 경계가 없음을 보여주었다. 물고기의 장내 박테리아 공동체가 다른 이야기를 들려줄 수 있는지 확인하기 위해, 과학자들은 북쪽 섬인 홋카이도에서 남쪽 지역에 이르기까지 13개의 서로 다른 해안 지점에서 야생 가다랑어를 채집했다. 그들은 43마리의 개별 물고기를 수집하였으며, 각 물고기가 잡힌 위치와 시기를 기록했다. 모든 물고기에 대해, 그들은 두 가지 유형의 생물학적 샘플을 채취했다: 물고기 자신의 유전 코드를 읽기 위한 작은 근육 조각과, 그 안에 살고 있는 박테리아를 조사하기 위한 장 내용물이다.
연구진은 먼저 근육 조직을 분석하여 물고기의 유전적 변이를 지도화했다. 그들은 전체 게놈에 걸쳐 단일 염기 다형성(single nucleotide polymorphisms)으로 알려진 아주 미세한 DNA 서열의 차이를 살펴보았다. 이전 연구를 바탕으로 예상했던 대로, 유전 데이터는 균일한 모습을 보여주었다. 차가운 북쪽 바다의 물고기와 따뜻한 남쪽 바다의 물고기는 유전적으로 구별할 수 없었다. 특정 지역에 머무르는 연관된 물고기 집단은 존재하지 않았다; 유전적 풍경은 평탄했으며, 이는 이 물고기들이 일본 열도 전역에서 자유롭게 섞이고 있음을 확인시켜 주었다. DNA만으로는 특정 물고기가 어디에서 왔는지 알 방법이 없었다.
그러나 연구팀이 장내 박테리아에 주목했을 때, 그림은 완전히 바뀌었다. 그들은 24마리 물고기의 장 속에 있는 미생물의 유전 물질을 시퀀싱했다. 노이즈와 물고기 자신의 DNA를 걸러낸 후, 그들은 서로 다른 위치의 박테리아 공동체를 비교했다. 숙주의 유전자와 달리, 박테리아는 장소에 대한 이야기를 들려주었다. 장내 미생물 군집은 물고기가 잡힌 위치에 따라 유의미하게 달랐다. 같은 위치에서 잡힌 물고기들은 유사한 박테리아 프로필을 보이는 경향이 있었던 반면, 먼 해안에서 온 물고기들은 상당히 달랐다. 통계 분석은 물고기가 잡힌 위치가 장내 박테리아의 차이를 설명하는 상당 부분을 차지한다는 것을 확인해주었다. 이러한 지리적 패턴은 연구진이 강 입구와의 거리나 물고기의 크기 및 성별 차이와 같은 다른 요인들을 확인했을 때도 유효했다.
이 연구는 가다랑어의 장이 단순히 하나의 균일한 박테리아 집단만을 위한 집이 아님을 밝혔다. 대신, 그곳은 어디에서나 발견되는 일반적인 해양 박테리아와 함께, 특정 개체나 특정 지역에서만 나타나는 특정 계통들이 섞여 있다. 이러한 국지적 박테리아 중 일부는 물고기의 최근 식단이나 현지 해수와 연관된 것으로 보인다. 예를 들어, 일부 물고기에서는 잡히기 직전에 먹었을 가능성이 높은 조류(algae)나 플랑크톤으로부터 유래한 다량의 유전 물질이 발견되었다. 또 다른 경우에는 특정 지역에는 풍부하지만 다른 지역에는 없는 특정 유형의 박테리아가 발견되기도 했다. 이러한 일시적이거나 국지적으로 농축된 미생물들은 각 위치에 대한 고유한 지문을 만들어냈으며, 이는 물고기 자체가 유전적으로 동일함에도 불구하고 감지될 만큼 강력한 신호였다.
이러한 발견은 숙주의 유전자가 개체군 사이의 경계를 흐릴 수 있지만, 장 내부의 미생물 공동체는 국지적 환경에 대한 선명한 기억을 유지한다는 것을 시사한다. 박테리아는 수역 조건과 먹이원의 변화에 빠르게 반응하여, 자신의 DNA가 포착할 수 없는 물고기의 최근 삶의 스냅샷을 포착한다. 연구진은 이 접근 방식이 아직 슈퍼마켓 선반 위의 특정 물고기 원산지를 식별하는 완벽한 도구는 아니라고 언급했는데, 이는 연구가 단일 시즌과 특정 위치 세트로 제한되었기 때문이다. 그러나 이는 강력한 개념 증명을 제공한다. 이는 전통적인 유전적 표지가 실패하는 고도로 연결된 해양 종에서, 장내 미생물 군집이 지역적 생물학적 변이를 드러낼 수 있음을 보여준다. 장 속의 작은 거주자들을 살펴봄으로써, 과학자들은 곧 전 세계적으로 뒤섞인 개체군 속에 숨겨진 국지적인 이야기를 밝혀내고, 바다를 통한 물고기의 여정을 추적할 수 있을지도 모른다.
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