Corallimorpharian genome supports the monophyly of Scleractinia and illuminates the cellular evolution of coral calcification
이 연구는 코랄리모피언(corallimorpharian)인 *Ricordea yuma*의 염색체 수준 게놈을 활용하여 이 종이 산호류(stony corals)의 자매 그룹임을 확인하였으며, 이를 통해 산호의 석회화가 특화된 칼리코블라스트(calicoblast) 세포 상태의 출현과 계통 특이적 혁신 및 공통 조상 유전자의 전용(co-option)으로부터 구성된 생체 광물화 툴킷의 결합을 통해 진화했음을 밝혀냈다.
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해저에는 지구상에서 가장 활기차고 복잡한 생태계 중 하나인 산호초가 자리 잡고 있습니다. 이 수중 도시들은 석조 산호(stony corals)에 의해 건설되는데, 이들은 아주 작은 동물로서 탄산칼슘을 이용해 거대하고 단단한 골격을 구축합니다. '석회화(calcification)'라고 알려진 이 과정은 매우 다양한 해양 생물들을 지탱하는 물리적 토대를 만듭니다. 그러나 자연에는 두 집단의 동물이 거의 동일하게 생겼지만 행동은 매우 다른 퍼즐 같은 상황이 종종 발생합니다. 그러한 미스터리 중 하나는 '벌거숭이 산호(naked corals)' 또는 '버섯 말미나리(mushroom anemones)'라고도 불리는 코랄리모파리안(corallimorpharians)과 관련이 있습니다. 이들은 석조 산호와 기본적인 신체 형태와 많은 생물학적 특성을 공유하지만, 단단한 골격이 전혀 없습니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 벌거숭이 산호들이 실제로 바다가 너무 산성화되었을 때 생존 전략으로서 단단한 껍데기를 잃어버린 석조 산호인지, 아니면 처음부터 골격이 없었던 별개의 가계도 분파인지에 대해 논쟁해 왔습니다. 이 질문을 해결하는 것은 우리가 산호초 형성의 역사를 어떻게 이해하는지, 그리고 이 동물들이 변화하는 기후에 오늘날 어떻게 반응할지를 이해하는 데 매우 중요합니다.
이 논쟁을 종결시키기 위해 연구진은 생명의 가장 근본적인 청사진인 게놈(genome)에 주목했습니다. 그들은 대만 인근 해역에서 발견되는 '리코디아 유마(Ricordea yuma)'라는 특정 종류의 벌거숭이 산호에 집중했습니다. 이들의 전체 유전 코드를 매우 정밀하게 해독함으로써, 과학자들은 염색체의 거시적인 구조를 살펴볼 수 있었습니다. 이 연구에서 연구진은 염색체를 단순히 유전자를 담는 용기가 아니라 역사적 문서로 취급했습니다. 수백만 년에 걸쳐 염색체는 특정 계통에 고유한 방식으로 서로 융합하거나 분리될 수 있기 때문입니다. 연구진은 Ricordea yuma의 염색체 구조를 다양한 석조 산호, 말미나리, 그리고 검은 산호(black corals)와 비교했습니다. 그 결과, 모든 석조 산호는 그것이 '강건한(robust)' 유형이든 '복잡한(complex)' 유형이든 관계없이, 벌거숭이 산호에는 완전히 결여되어 있는 세 가지 특정한 염색체 융합을 공유한다는 것을 발견했습니다. 이 발견은 석조 산호가 하나의 통일된 가족 집단을 형성한다는 강력하고 독립적인 증거를 제공합니다. 즉, 벌거숭이 산호는 골격을 잃어버린 석조 산호가 아니라, 첫 번째 단단한 골격이 진화하기 전 단계에서 전체 골격 형성 산호 그룹으로부터 갈라져 나온 가장 가까운 친척이라는 것을 의미합니다.
가계도가 명확해지자, 연구진은 골격을 만드는 능력이 실제로 어떻게 생겨났는지에 대해 질문을 던졌습니다. 그들은 석조 산호가 골격을 분비하기 위해 '칼리코블라스트(calicoblast)'라고 불리는 특수한 종류의 피부 세포를 사용한다는 것을 알고 있었습니다. 그들은 벌거숭이 산호가 재활성화되기를 기다리고 있는 숨겨진, 휴면 상태의 이 세포 유형을 보유하고 있는지, 아니면 이 세포 유형이 석조 산호에만 고유한 완전히 새로운 발명품인지를 궁금해했습니다. 이를 알아내기 위해 연구팀은 벌거숭이 산호와 골격을 만드는 산호인 '갈락시아 파시쿨라리스(Galaxea fascicularis)'의 개별 세포에서 유전자 활동의 상세한 지도를 만들었습니다. 그들은 두 동물 모두 많은 기본적인 세포 유형을 공유하고 있지만, 벌거숭이 산호에는 칼리코블라스트의 특정한 유전적 특징이 완전히 결여되어 있다는 것을 발견했습니다. 골격을 만드는 산호는 그들의 벌거숭이 친척에게는 존재하지 않았던 뚜렷한 세포 상태를 진화시켰습니다. 이는 골격을 만드는 능력이 오래된 스위치를 다시 켜는 문제가 아니라, 완전히 새로운 종류의 세포가 진화한 결과임을 시사합니다.
연구는 또한 이 세포들이 골격을 만드는 데 사용하는 분자 도구들을 살펴보았습니다. 연구진은 골격을 만드는 도구가 구고(old)와 신규(new) 부품의 혼합이라는 것을 발견했습니다. 석조 산호가 사용하는 일부 유전자는 고대의 것으로, 벌거숭이 산호 및 다른 말미나리와 공유되며, 원래 일반적인 피부 기능이나 조직 수복을 위해 사용되었을 가능성이 높습니다. 그러나 연구는 석조 산호에만 고유한 상당한 양의 유전 집단을 식별했습니다. 광물을 운반하고 골격의 구조적 매트릭스를 형성하는 데 도움을 주는 단백질을 포함하는 이 새로운 유전자들은 골격 구축을 지원하기 위해 특별히 진화한 것으로 보입니다. 산호 폴립이 부상을 입어 치유가 필요할 때 이 유전자들이 어떻게 행동하는지 관찰함으로써, 연구팀은 많은 골격 형성 유전자들이 골격이 형성되기 훨씬 전인 정상적인 조직 유지 및 수복 과정 중에 활성화된다는 것을 관찰했습니다. 이는 산호초 형성 과정의 진화가 기존의 유전자를 새로운 목적을 위해 모집하고, 전용 세포 유형을 만들기 위해 일련의 새로운 전문 유전자를 추가하는 과정을 포함했음을 나타냅니다.
마지막으로, 연구진은 이러한 진화적 사건들을 타임라인 위에 배치했습니다. 그룹 간의 유전적 차이를 비교하고 이를 화석 기록과 결합하여 보정함으로써, 그들은 벌거숭이 산호와 석조 산호 사이의 분리가 약 3억 8,800만 년 전에 일어났다고 추정했습니다. 골격 자체의 진화와 석조 산호의 크라운 그룹(crown group)의 출현은 그 이후인 약 3억 년 전경에 일어났습니다. 이 시기는 지구의 화학 성분이 산호 골격을 구성하는 특정 결정 형태인 아라고나이트(aragonite) 형성을 촉진하는 방향으로 변화했던 지구 역사의 시기와 일치합니다. 증거는 골격이 위기에 대응하여 갑작스럽게 나타난 것이 아니라, 해양 조건이 이러한 종류의 광물화를 더 유리하게 만들면서 점진적으로 등장했음을 시사합니다. 이 연구는 산호초의 부상이 새로운 세포 유형과 전문화된 유전적 도구의 조화로운 발전에 의해 주도된 주요 진화적 전환이었으며, 부드러운 몸을 가진 동물을 세계에서 가장 생물 다양성이 높은 해양 생태계의 건축가로 탈바꿈시켰다고 결론짓습니다.
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