Multipartite mitochondrial genomes and phylogenetic relationships of five newly characterized chewing-louse species of placental mammals (Parvorder Trichodectera)
본 연구는 새로 서열이 분석된 5종의 저작 이(chewing-louse)의 파편화된 다부체 미토콘드리아 게놈을 특징짓고 있으며, 이를 통해 보존된 유전자 배열, 광범위한 염색체 간 재조합, 그리고 설치류와 식육목 사이의 고대 숙주 전환을 뒷받침하는 계통 발생적 패턴을 밝혀냈다.
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인간에서 곤충에 이르기까지 대부분의 동물은 세포의 발전소로 알려진 미토콘드리아를 매우 특정한 방식으로 운반합니다. 각 세포 내부에서 이 발전소를 가동하는 DNA는 대개 하나의 깔끔하고 둥근 원형 루프 형태로 뭉쳐져 있습니다. 이 루프는 조밀하며 세포를 생존하게 하는 표준적인 지침들을 담고 있습니다. 그러나 자연은 때때로 이 규칙을 깨뜨립니다. 포유류의 털에 사는 저작이(chewing lice)라고 불리는 이 기생 곤충 집단에서는, 이 단일 루프가 산산조각이 나 있습니다. 하나의 원 대신, 그들의 미토콘드리아 DNA는 마치 한 손에 쥐고 있는 하나의 원형이 아니라 테이블 위에 펼쳐놓은 카드 한 덱처럼, 수많은 작고 분리된 원형들로 흩어져 있습니다. 이러한 파편화는 동물계에서 드물고도 수수께한 현상이며, 과학자들은 오랫동안 이 작은 조각들이 어떻게 조직을 유지하는지, 그리고 어떻게 처음 진화했는지에 대해 의문을 품어왔습니다.
노던 아이오와 대학교의 연구팀은 최근 이 '트리코덱테라(Trichodera)'라고 불리는 특정 이 집단에 주목했습니다. 이 집단에는 약 400종의 알려진 종이 있지만, 과학자들은 지금까지 이 중 단 6종의 파편화된 DNA만을 겨우 지도화할 수 있었습니다. 이 공백을 메우기 위해 연구진은 주머니쥐, 스컹크, 너구리 등 포유류 숙주로부터 다섯 종의 새로운 이들을 채집했습니다. 그들은 작은 곤충들을 부수는 과정을 포함하여 DNA를 정밀하게 추출하였고, 미토콘드리아 게놈의 완전한 그림을 구축하기 위해 유전 물질을 복제했습니다. 그들이 발견한 것은 이 부서진 게놈들이 어떻게 기능하는지, 그리고 이 이들이 서로 어떻게 연관되어 있는지에 대한 복잡하지만 일관된 이야기였습니다.
이 연구는 이 다섯 종의 새로운 종들이 그 친척들과 마찬가지로 12개에서 14개의 별개 원형 조각들로 구성된 미토콘드리아 게놈을 보유하고 있음을 확인했습니다. 각 조각은 몇 개의 유전자를 운반하는데, 보통 에너지 생산을 위한 하나의 주요 유전자와 몇 개의 작은 보조 유전자들로 이루어져 있습니다. 연구진은 주요 유전자들은 각각의 원형 내에서 대략 동일한 위치에 머물러 있는 반면, 작은 보조 유전자들은 상당히 이동성이 높아 종마다 서로 다른 원형 사이를 옮겨 다닌다는 점을 발견했습니다. 특히 미토콘드리아 기능을 돕는 한 유전자는 종에 따라 여러 다른 위치에서 발견되었는데, 어떤 경우에는 단독으로 자신의 원형 위에 놓여 있었고, 어떤 경우에는 다른 유전자와 원형을 공유하기도 했습니다. 이러한 뒤섞임은 이 유전적 조각들의 배치가 고정된 것이 아니라, 이들이 진화함에 따라 시간에 걸쳐 변화해 왔음을 시사합니다.
이 작업의 핵심적인 발견은 이 흩어진 조각들이 어떻게 함께 작동하도록 유지하는지에 대한 숨겨진 메커니즘에 대한 증거였습니다. 연구진은 모든 이의 게놈에 있는 모든 원형 조각이 해당 이의 다른 모든 조각들에 있는 것과 거의 동일한 특정 비부호화(non-coding) DNA 영역을 포함하고 있다는 것을 발견했습니다. 이 일치하는 영역들은 마치 보편적인 열쇠나 공유된 서명처럼 작용합니다. 연구진은 이 동일한 서열들이 '재조합(recombination)'이라 불리는 과정을 통해 서로 정보를 교환할 수 있게 해준다고 제안합니다. 만약 당신에게 모든 책의 첫 페이지가 동일한 도서관이 있다고 가정해 봅시다. 만약 한 권의 책이 손상된다면, 당신은 다른 어떤 책의 첫 페이지라도 사용하여 그것을 고칠 수 있을 것입니다. 이 이들에게 있어서, 이러한 끊임없는 유전 물질의 교환은 서로 다른 원형들이 동기화되도록 유지하여, 그들이 서로 멀어지거나 기능을 상실하는 것을 방지합니다.
연구진은 또한 이 이들이 서로 어떻게 연관되어 있는지를 살펴봄으로써 그들의 가계도가 그들이 서식하는 동물들과 일치하는지 확인했습니다. 그들은 육식동물과 같은 유사한 동물에 사는 이들이 서로 밀접하게 연관되어 있을 것이라고 예상했습니다. 그러나 유전 데이터는 다른 이야기를 들려주었습니다. 스컹크에서 발견된 한 종의 이가 육식동물에 사는 다른 이들보다 오히려 주머니쥐에 사는 이들과 더 밀접하게 연관되어 있었습니다. 이 발견은 먼 과거에 육식동물(예를 들어 스컹크나 족제비)로부터 주머니쥐로 이가 건너갔음을 뒷받s는다는 점을 시사합니다. 주머니쥐와 그들의 이는 함께 진화해 온 역사를 가지고 있으므로, 이 고대의 도약은 새로운 이의 계통이 주머니쥐와 함께 다양화될 수 있는 무대를 마련했으며, 스컹크 이를 다른 육식동물 이의 형제가 아닌 유전적 사촌으로 만들었습니다.
다섯 종의 새로운 종의 게놈을 지도화함으로써, 이 연구는 파편화된 미토콘드리아 게놈이 어떻게 작동하는지에 대한 더 명확한 관점을 제공합니다. 이는 DNA가 여러 조각으로 나뉘어 있음에도 불구하고, 이들이 지속적인 유전적 교환을 통해 그 조각들을 동기화하는 강력한 시스템을 개발했음을 보여줍니다. 또한 이 연구는 이들의 역사가 항상 숙주의 역사와 단순하게 거울처럼 일치하는 것은 아니며, 서로 다른 유형의 동물 사이의 고대 도약이 그들의 유전적 구성에 지속적인 흔적을 남겼음을 강조합니다. 이러한 발견은 가장 근본적인 유전적 지침이 여러 염색체에 흩어져 있을 때 생명이 어떻게 적응하는지에 대한 퍼즐의 중요한 조각들을 더해줍니다.
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