Asymmetric inter-kingdom gene transfer and a horizontal transposon invasion in a powdery mildew fungus
이 연구는 최근 식물과 균류 사이의 수평적 DNA 전이가 드물고 강력하게 비대칭적이라는 것, 즉 주로 균류에서 식물로의 유전자 흐름을 포함하며 단 한 번의 식물에서 균류로의 트랜스포존 침입을 포함한다는 점을 밝혀냈으나, 이러한 획득된 서열들이 이후 중복, 소실, 트랜스포존 증폭과 같은 메커니즘을 통해 상당한 게놈 다양성을 유도한다는 점을 드러냈다.
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육상 생명체는 조용한 파트너십과 함께 시작되었습니다. 4억 5천만 년 전 이상, 물을 떠나 처음으로 육지로 진출한 식물들은 홀로 그 일을 해내지 않았습니다. 그들은 균류와 친밀한 동맹을 형성했습니다. 이 미세한 파트너들은 초기 개척자들이 새로운 세계의 가혹하고 건조한 환경에서 살아남을 수 있도록 도왔으며, 영양분을 대가로 은신처를 얻는 관계를 맺었습니다. 이 관계는 이후로도 계속 지속되어 왔습니다. 긴 세월 동안 이 두 계(kingdom)는 매우 밀접하게 공존하며, 때로는 그들의 유전 물질이 계 사이의 경계를 넘나들기도 했습니다. '수평적 전이(horizontal transfer)'라고 알려진 이 과정은, 유기체가 부모로부터 물려받는 것이 아니라 이웃으로부터 DNA 한 조각을 빌려오는 유전적 대출과 같습니다. 과학자들은 이러한 현상이 일어난다는 사실을 오래전부터 알고 있었지만, 식물이나 균류와 같은 복잡한 다세포 생물 사이에서 얼마나 자주 발생하는지, 그리고 빌려온 DNA가 도착한 후 어떻게 되는지에 대해서는 규명하는 데 어려움을 겪어왔습니다.
연구팀은 수백 종의 전체 유전 청사진을 스캔함으로써 이 질문에 대해 새로운 시각을 제시했습니다. 기존의 유전자 지도를 사용하는 대신, 새로운 것이나 특이한 서열을 놓칠 수 있는 위험을 피하기 위해, 그들은 418종의 서로 다른 식물 종의 가공되지 않은 DNA를 1,081종의 균류 종과 비교했습니다. 이 방대하고 편향되지 않은 탐색을 통해 그들은 DNA가 한 계에서 다른 계로 뛰어넘은 최근의 사례들을 포착할 수 있었습니다. 연구 결과, 이러한 전이는 드물게 일어나지만 무작위적으로 발생하는 것은 아니었습니다. 유전 물질의 흐름은 매우 불균형했습니다. 식물이 균류로부터 DNA를 받을 확률이 그 반대의 경우보다 훨씬 높았습니다. 나아가, 연구진은 외래 DNA가 새로운 숙주에 안착했을 때 그것이 단순히 그 자리에 머물러 있는 것이 아님을 발견했습니다. 그 DNA는 특정 식물이나 균류의 가계에 따라 복제되거나, 형태가 바뀌거나, 소실되거나, 심지어 숫자가 폭발적으로 증가할 수도 있었습니다.
이 연구는 밀과 보리를 포함하는 벼과 식물인 포이데(Pooideae)에서, 균류가 몇 가지 유전자를 기증했고 식물이 이를 유지하며 변형했다는 사실을 밝혀냈습니다. 이러한 전이는 특히 풀 속에 내생균으로서 무해하게 공생하는 에피클로에(Epichloë)라는 균류 집단으로부터 왔습니다. 연구진은 이 식물들이 단순히 이 유전자들을 받아들인 것이 아니라, 이를 복제했다는 사실을 발견했습니다. 이렇게 빌려온 일부 유전자들은 단일 식물 내에 여러 개의 복사본으로 존재하며, 각 복사본은 서로 다르게 행동하기 시작했습니다. 어떤 복사본은 뿌리에서 활성화된 상태로 남아 있는 반면, 다른 복본은 침묵하거나 내부 구조를 교체하여 구조를 변경하기도 했습니다. 이는 벼과 식물들이 이 외래 유전 물질을 능동적으로 실험하며, 이를 새로운 형질을 진화시키기 위한 원료로 사용하고 있음을 시사합니다. 반면, 선태식물과 같은 비관다발 식물의 이야기는 다릅니다. 이끼가 균류 유전자를 획득했을 때는 이를 단일 복사본으로 유지하는 경향이 있었습니다. 그러나 이 단일 복사본들은 불안정했습니다. 연구진은 우산이끼의 일종인 마르칸티아 폴리모르파(Marchantia polymorpha)의 서로 다른 아종 내에서, 어떤 개체는 유전자를 유지한 반면 다른 개체는 이를 완전히 상실했음을 발견했으며, 이는 유전적 지형이 여전히 변화 중임을 보여줍니다.
아마도 가장 놀라운 발견은 식물 DNA가 균류로 이동한 드문 사건이었을 것입니다. 연구진은 '그나와(Gnawa)' 요소라고 명명한 특정 유형의 이동성 유전 요소인 트랜스포존(transposon)을 식별했습니다. 식물에서 기원한 이 요소는 토마토에 공격을 가하는 병원균인 토마토 흰가루병균의 게놈에 통합되어 있는 것이 발견되었습니다. 식물 유전자가 균류에 도달한 후 사라졌던 것과 달리, 이 식물 침입자는 단순히 생존하는 데 그치지 않고 번창했습니다. 그나와 요소는 균류 내부로 들어온 후 깨어나 공격적으로 자신을 복제하기 시작했습니다. 이 요소는 더 작고 파생된 형태의 복사본 172개가 균류 게놈 전체에 흩어져 있을 정도로 증식했습니다. 이 대규모 확장은 매우 최근에 일어난 일이라서, 각 복사본은 서로 거의 동일합니다. 연구진은 이것이 데이터의 오류나 토마토 자체의 오염이 아니라, 식물 트랜스포존이 균류 게놈을 점령한 실제 사례임을 확인했습니다.
이 연구 결과는 유전 정보의 역동적이지만 불균등한 교환의 모습을 그려냅니다. 본 연구는 이러한 전이가 모든 식물과 균류 사이에서 균등하게 발생하는 흔하고 광범위한 사건이라는 생각을 부정합니다. 대신, 이들은 풀과 그 내부의 균류 파트너 사이의 공생 관계와 같이 밀접한 생태적 관계와 결부된 드물고 특정한 사건으로 보입니다. 또한 연구는 전이된 DNA의 운명이 균일하지 않다는 점을 명확히 합니다. 어떤 계통에서는 DNA가 보존되고 복제되어 잠재적으로 새로운 기능을 제공하는 반면, 다른 계통에서는 취약하고 소실되기 쉽습니다. 식물에서 균류로의 전이인 그나와 요소의 발견은 이 이야기에 새로운 장을 추가하며, 유전 정보의 흐름이 양방향으로 움직일 수 있으며, 그렇게 될 때 수혜자의 게놈에 빠르고 극적인 변화를 일으킬 수 있음을 보여줍니다. 이 작업은 계 사이의 경계가 생각만큼 견고하지 않다는 점을 강조하며, 육상 생명의 역사는 우리가 물려받은 유전자뿐만 아니라 우리가 빌려온 유전자에도 기록되어 있음을 보여줍니다.
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