Somatic differentiation evolves rapidly and repeatedly through the modification of developmental plasticity

생명은 흔히 하나의 자립적인 세포에서 시작되지만, 지구 생명체의 역사는 또한 그 단세포들이 어떻게 서로 결합하고 전문화되는 방법을 배웠는지에 대한 이야기이기도 합니다. 인간이나 나무와 같은 가장 복잡한 다세포 생물에서, 세포들은 특정한 역할을 맡습니다. 어떤 세포는 몸을 움직이기 위해 근육이 되고, 다른 세포는 신호를 보내기 위해 신경 세포가 되며, 또 어떤 세포는 내부를 보호하기 위해 피부가 됩니다. 이러한 노동의 분업은 진화의 주요 단계이며, 세포의 집합을 하나의 통합된 개체로 변화시킵니다. 오랫동안 과학자들은 이 전이가 어떻게 일어나는지 궁금해해 왔습니다. 이것이 수백만 년에 걸친 작고 무작위적인 변화의 느리고 무작위적인 축적을 필요로 하는 것일까요? 아니면 환경이 유기체를 새로운 방향으로 밀어붙일 때 더 빠르게 일어날 수 있는 것일까요? 생물학의 핵심 아이디어 중 하나는 만약 어떤 형질이 환경에 반응하여 변할 수 있다면—이를 가소성(plasticity)이라고 부릅니다—그 유연성이 바로 새로운 영구적 형질이 진화할 수 있게 하는 밑거름이 될 수 있다는 것입니다.

이 아이디어를 테스트하기 위해 연구자들은 Eudorina라고 불리는 아주 작은 녹색 조류에 주목했습니다. 이 생물들은 담수에서 살며 보통 모든 세포가 번식 능력을 갖춘 동일한 세포들로 이루어진 구형 군집을 형성합니다. 그러나 Eudorina에는 비밀이 있습니다. 추워지면 일부 세포들이 변한다는 것입니다. 이 세포들은 크기가 작아지고, 번식을 멈추며, 군집이 헤엄칠 수 있도록 돕는 편모라는 작은 꼬리를 키웁니다. 이것들은 체세포이며, 야생에서 이러한 변화는 일시적입니다. 추위가 지나가면 세포들은 다시 정상으로 돌아옵니다. 이 왔다 갔다 할 수 있는 능력은 과학자들이 연구하고자 했던 가소성입니다. 그들은 단순하지만 심오한 질문을 던졌습니다. 만약 이 조류들을 추위 스트레스에 반복적으로 노출시킨다면, 이 일시적인 변화가 영구적인 변화가 될 것인가? 즉, 물이 따뜻할 때도 조류가 항상 특화된 비번식 세포를 갖도록 진화할 것인가?

그 답은 전문 연구원들과 수백 명의 학부생이 참여한 대규모 실험에서 나왔습니다. 연구팀은 단 하나의 Eudorina 군집으로 시작하여 이를 여러 개의 독립된 계통으로 나누었습니다. 그들은 마치 끝나지 않는 혹독한 겨울을 흉내 내듯, 이 계통들에 반복적인 냉해 충격을 가했습니다. 실험실에서는 두 개의 계통을 운영했고, 대학 강의 과정에서는 학생들이 각기 조금씩 다른 냉해 노출 일정을 따르는 46개의 계통을 관리했습니다. 몇 달간의 스트레스 후에 결과는 놀라웠습니다. 거의 절반의 계통에서, 조류는 춥지 않을 때도 특화된 세포를 가진 군집을 생성하기 시작했습니다. 일시적인 가소성 반응이 유기체의 영구적인 특징이 된 것입니다.

연구진이 면밀히 추적한 한 특정 계통은 훨씬 더 나아갔습니다. 이 혈통에서는 온도가 어떠하든 모든 군집이 특화된 세포를 생성했습니다. 조류는 유연하고 미분화된 상태에서 의무적(obligate) 상태, 즉 전문화가 이제 생물학적 규칙이 된 상태로 진화했습니다. 이는 과학자들이 실험실 환경에서 의무적 체세포 분화를 가진 생물을 성공적으로 만들어낸 첫 번째 사례입니다. 연구진은 새로 진화한 계통들의 특화된 세포 비율이, 자연적으로 이러한 형질을 여러 차 번 진화시켜 온 관련 속인 Pleodorina에서 보이는 것과 일치한다는 것을 발견했습니다. 이 실험은 새로운 종류의 개체로 가는 경로가 환경에 대한 기존의 반응을 수정함으로써 닦일 수 있음을 보여주었습니다.

이 일이 어떻게 일어났는지 이해하기 위해, 연구팀은 진화한 조류의 DNA를 서열 분석하여 진화하지 않은 원래의 버전과 비교했습니다. 그들은 변화가 무작위로 일어나지 않았음을 발견했습니다. 돌연변이는 유기체가 추위에 어떻게 반응하는지와 어떤 세포가 전문화되어야 하는지를 결정하는 유전자에서 발생했습니다. 원래의 조류에서 이 두 과정은 별개입니다. 즉, 추위는 일시적인 변화를 유발하고, 발달은 정상적으로 진행됩니다. 진화한 조류에서는 이 두 과정의 유전적 스위치가 하나로 합쳐졌습니다. 원래 추위 충격 시에만 켜졌던 유전자들이 이제는 영구적으로 활성화되어 세포들이 항상 전문화되도록 강제했습니다. 이는 진화가 완전히 새로운 메커니즘을 처음부터 발명한 것이 아니라, 기존의 도구인 추위 반응을 가져와 새로운 목적에 맞게 재배선했다는 것을 시사합니다.

이 연구는 또한 이러한 전이가 놀라울 정도로 빠르게 일어났음을 밝혔습니다. 단 몇 달과 몇십 세대 만에, 조류는 동일한 세포들로 이루어진 단순한 군집에서 노동 분업을 가진 더 복잡한 개체로 경계를 넘어섰습니다. 이 급격한 변화는 유기체가 스트레스에 반응하여 형태를 바꿀 수 있는 능력이 이미 갖춰져 있을 때, 그 변화가 영구적으로 굳어지는 것이 훨씬 쉽다는 아이디어를 뒷받침합니다. 연구진은 조류가 스트레스에 더 많이 노출될수록, 영구적인 전문화를 진화시킬 가능성이 더 높다는 것을 관찰했습니다. 환경이 유용한 생존 전략을 고착시키는 유전적 변화를 선택하는 가이드 역할을 한 것으로 보입니다.

이 연구는 생명사의 가장 중요한 단계 중 하나인 단순한 단세포 존재에서 복잡한 다세포 개체성으로의 이동에 대한 명확한 창을 제공합니다. 이는 새로운 종류의 존재로의 도약이 반드시 무작위적인 돌연변이의 길고 느린 행군을 필요로 하는 것은 아님을 보여줍니다. 때때로, 그것은 유기체가 자신의 한계까지 몰릴 때 일어날 수 있으며, 그 압박으로부터 살아남기 위해 돕는 유전적 기구가 새로운 것을 구축하기 위해 재용도화될 수 있습니다. 이 작은 녹색 군집들이 실시간으로 진화하는 것을 지켜봄으로써, 과학자들은 생명의 유연성이 단순히 나쁜 날을 버티기 위한 방법이 아니라, 완전히 새로운 삶의 방식을 위한 토대가 될 수 있음을 입증했습니다.