A pan-eukaryotic analysis of mitochondrial ribosomes uncovers major evolutionary transitions

핵이 있는 모든 살아있는 세포 내부에는 미토콘드리아라고 불리는 아주 작은 발전소들이 있습니다. 이 소기관들은 세포가 기능하는 데 필요한 에너지를 생성하기 위해 연료를 태우는 생명의 엔진입니다. 하지만 미토콘드리아는 단순히 수동적인 배터리가 아닙니다. 이들은 수십억 년 전 더 큰 세포에 삼켜진 후 떠나지 않은 고대 박테리아의 후손입니다. 이러한 역사 때문에 미토드리아는 여전히 자신만의 작은 유전적 지침과 그 지침을 읽고 단백질을 구축할 수 있는 자체적인 기계 장치를 보유하고 있습니다. 이 기계 장치를 미토콘드리아 리보솜이라고 부릅니다. 세포의 본체에 떠다니는 리보솜은 수만 년 동안 비교적 안정적으로 유지되어 온 반면, 미토콘드리아 버전은 격렬하고 혼란스러운 변형을 거쳤습니다. 이들은 원래의 박테리아 설계를 일부 버리고, 숙주 세포로부터 새로운 조각들을 가져왔으며, 형태가 너무 극적으로 변하여 종종 조상들과는 전혀 다르게 보이기도 합니다. 이러한 기계들이 어떻게 변했는지 이해하는 것은 지구 생명체의 역사를 추적할 뿐만 아니라, 이 발전소들이 제대로 작동하지 않는 질병에 대한 치료법을 개발하는 데에도 매우 중요합니다.

한 연구팀이 이제 이 진화적 여정을 지도화하는 데 있어 거대한 발걸음을 내디뎠습니다. 인간과 균류부터 단세포 조류와 기생충에 이르기까지 85가지 다른 종의 유전적 청사진을 분석함으로써, 그들은 미토콘드리아 리보솜의 역사를 전례 없는 세부 사항으로 재구성했습니다. 몇몇 잘 연구된 생물체만을 살펴보는 대신, 그들은 유클래리엇(진핵생물) 생명의 전체 계통도를 스캔하여 어떤 단백질 부분이 어느 종에 존재하는지 확인했습니다. 그들의 목표는 10억 년도 더 전에 살았던 이론적인 생물인, 모든 진핵생물의 마지막 공통 조상에서 리보솜이 어떤 모습이었는지 밝혀내고, 서로 다른 계통이 갈라져 나감에 따라 어떻게 변화했는지 추적하는 것이었습니다. 그 결과는 이 분자 기계들의 포괄적인 가계도가 되었으며, 이는 거대한 상실, 창의적인 재활용, 그리고 놀라운 유연성의 이야기를 보여줍니다.

연구진은 64개의 고품질 게놈 서열을 가진 종과 공백을 메우기 위해 전사체 데이터를 활용한 21개의 종을 포함하여 85개 종으로부터 유전 데이터를 수집하며 시작했습니다. 그들은 각 생물체의 미토콘드리아 리보솜 단백질 부분을 코딩하는 유전자를 찾기 위해 정교한 컴퓨터 검색을 사용했습니다. 이 단백질들은 시간이 지남에 따라 형태와 서열이 매우 많이 변할 수 있기 때문에, 팀은 컴퓨터가 찾아낸 결과물을 알려진 구조 및 진화적 관계와 대조하여 수동으로 검사함으로써 무언가를 놓치거나 단백질을 잘못 식별하지 않도록 극도로 주의를 기울여야 했습니다. 또한 그들은 자신들의 연구 결과를 공유할 수 있는 새로운 온라인 데이터베이스를 개발하여 다른 과학자들이 직접 데이터를 탐색할 수 있도록 했습니다. 이러한 엄격한 접근 방식 덕분에 그들은 이전에 간과되었거나 잘못 분류되었던 단로를 식별해 냈으며, 몇몇 핵심 생물체들에 대한 기록을 바로잡았습니다.

그들의 가장 중요한 발견 중 하나는 그 고대 공통 조상에서의 미토콘드리아 리보솜의 상태에 관한 것입니다. 연구팀은 이 조상 기계가 놀라울 정도로 복잡했다는 것을 발견했습니다. 그것은 박테리아 조상으로부터 물려받은 거의 모든 단백질 부분을 포함하고 있었으며, 미토콘드리아 업무를 위해 특별히 영입된 최소 23개의 새로운 단백질을 가지고 있었습니다. 이는 미토콘드리아가 주요 동물, 식물, 균류 그룹이 분화하기 훨씬 전인 진핵생물의 역사 초기 단계에 이미 더 복잡해졌음을 시사합니다. 연구진은 같은 기간 동안 세포의 본체에 있는 리보솜은 약 11개의 새로운 부분을 추가한 반면, 미토콘드리아 버전은 23개를 추가했다고 추정합니다. 이는 자유롭게 생활하던 박테리아에서 완전히 통합된 세포 소기관으로의 전환이, 미토콘드리아의 유전 정보가 세포의 주 핵으로 대부분 이동하기 전임에도 불구하고, 단백질 기계의 급격하고 실질적인 확장을 동반했음을 나타냅니다.

생명이 이 공통 조상 이후 다양화되면서, 이야기는 극적이고 종종 독립적인 변화의 과정이 되었습니다. 연구진은 서로 다른 계통이 리보솜의 서로 다른 부분을 상실하는 것을 관찰했으며, 때로는 서로 다른 계통에서 동일한 단백질을 여러 번 상실하기도 했습니다. 어떤 경우에는 단백질이 상실되었을 때 다른 단로는 그 자리를 대신했습니다. "패칭(patching)"이라고 알려진 이 과정은, 일부 학자들에 의해 리보솜의 RNA 핵심부가 축소됨에 따라 단백질이 사라진 RNA의 빈자리를 채우기 위해 투입되는 직접적인 반응으로 생각되었습니다. 그러나 데이터는 이것이 전부는 아니라는 점을 시사합니다. 연구팀은 RNA가 상실되었음에도 이를 대체할 단백질이 없는 사례를 많이 발견했으며, RNA가 온전함에도 단백질이 추가된 사례도 많이 발견했습니다. 이는 리보솜의 진화가 단순하고 지시적인 수리 작업이 아니라, 새로운 단백질이 반드시 고장 난 부분을 고치기 위해 필수적이라서가 아니라 충분히 잘 작동하기 때문에 남아 있게 되는, 중립적 표류를 통해 변화가 축적되는 더 혼란스러운 과정임을 의미합니다.

아마도 가장 놀라운 발견은 세포의 서로 다른 구획 사이에서 일어나는 단백질의 이동과 관련될 것입니다. 연구진은 몇몇 식물 계통에서 원래 미토콘드리아 리보솜에 속했던 단백질들이 복제되어 광합성을 담당하는 소기관인 엽록체에서 일하도록 보내졌다는 것을 발견했습니다. 어떤 경우에는 이 미토콘드리아 단백질들이 기존의 엽록체 단백질을 완전히 대체하기도 했습니다. 발전소와 태양광 패널 사이의 이러한 부품 교환은 놀라운 구조적 호환성을 강조합니다. 즉, 이 서로 다른 소기관들의 리보듐은 기본 구조가 매우 유사하여 한쪽의 부품이 다른 쪽에서 완벽하게 기능할 수 있다는 것입니다. 이는 이 세포 기계들 사이의 경계가 이전에 생각했던 것보다 더 유동적이며, 세포의 발전소와 태양광 패널 사이의 부품 교차 수분(cross-pollination)을 허용하여 추가적인 진화적 변화를 이끌어낼 수 있음을 시사합니다.

이 연구는 또한 이전에 서로 관련이 없다고 생각되었던 단백질들 사이의 숨겨진 관계를 밝혀냈습니다. 다양한 종의 형태와 서열을 비교함으로써, 연구팀은 여러 생물체에서 서로 다른 이름으로 불리던 여러 단백질이 실제로는 이름만 다른 동일한 것이라는 점을 확인했습니다. 또한 하나의 유전자가 복제되어 두 개의 약간 다른 버전의 단백질을 만들어냈고, 두 버전 모두 리보솜에서 기능하게 된 사례도 발견했습니다. 이러한 발견을 바탕으로 연구진은 혼란을 정리하기 위해 모든 미토콘드리아 리보솜 단백질에 대한 새로운 통합 명명 체계를 제안했습니다. 또한 그들은 일부 단백질이 너무 짧거나 친척들과 너무 달라서 표준 컴퓨터 검색으로는 찾기가 매우 어렵다는 점을 언급하며, 이 기계들의 진정한 다양성이 여전히 과소평가되어 있을 수 있음을 시사했습니다.

궁극적으로, 이 작업은 미토콘드리아 리보솜을 끊임없이 재형성해 온 진화의 힘에 의해 끊임없이 변화해 온 매우 적응력이 높은 기계로 묘사합니다. 그것은 박테리아 엔진으로 시작하여, 진핵세포로 통합되면서 더 복잡해졌고, 이후 서로 다른 종들이 특정 환경에 적응함에 따라 어지러울 정도로 다양한 형태로 파편화되었습니다. 연구진은 자신들이 주요한 흐름을 지도화했지만, 전체 이야기는 여전히 쓰여지고 있다고 강조합니다. 이 리보솜이 부품을 잃고, 얻고, 교환하는 능력은 놀라운 진화적 가소성을 보여줍니다. 이러한 유연성은 생명체가 자신의 가장 근본적인 기계를 만지작거릴 수 있게 하여, 세포의 발전소 내부에서 단백질을 구축하는 문제에 대한 방대한 다양성의 해결책을 만들어내도록 해줍니다. 더 많은 구조가 규명되고 더 많은 게놈이 서열화됨에 따라, 생명이 생존을 위해 자신의 도구를 얼마나 많이 바꾸어 왔는지를 보여주는 그림은 더욱 명확해질 것입니다.