A multi-tissue transcriptome and expression atlas of Astacus leptodactylus: assembly and annotation

생명의 설계도, 도서관

생명체의 전체 역사가 DNA로 이루어진 하나의 거대한 책에 기록되어 있다고 상상해 보십시오. 게놈(genome)이라 불리는 이 책은 작은 개미부터 거대한 고래에 이르기까지 모든 것을 만드는 데 필요한 지침을 담고 있습니다. 하지만 책이 존재한다고 해서 모든 페이지가 동시에 읽히는 것은 아닙니다. 실제로 대부분의 페이지는 닫혀 있습니다. 특정 페이지를 열어 지침을 읽고 그것을 행동으로 옮기는 과정을 "유전자 발생(gene expression)"이라고 합니다. 과학자들은 종종 이 "열린 페이지"를 연구하기 위해 RNA라고 불리는 분자를 관찰하는데, 이는 활성화된 지침을 복사한 복사본과 같은 역할을 합니다.

오랫동안 과학자들은 초파리나 생쥐와 같은 유명한 모델 동물들에 대한 이러한 복사본의 상세한 "도서관"을 보유해 왔습니다. 하지만 가재와 같이 야생에서 살아가는 많은 다른 생물들의 경우, 이 도서관들이 없거나 매우 불완전합니다. 좋은 도서관이 없다면, 이 동물들이 어떻게 세상을 감지하고, 근육을 움직이며, 환경에 반응하는지 이해하기 어렵습니다. 이 논문은 이러한 공백을 메우기 위해, 터키와 동유럽 지역의 자연 및 지역 어업에 매우 중요한 종인 좁은발가재(Astacus leptodactylus)에 초점을 맞춥니다. 여기서의 목표는 가재의 눈에서부터 아주 작은 감각 신경에 이르기까지, 몸의 어느 부분에서 어떤 유전자가 활성화되어 있는지를 보여주는 정확한 지도인 "발현 아틀라스(expression atlas)"를 구축하는 것입니다.

궁극의 가재 지침서 만들기

이 연구에서 연구진은 좁은발가재(Astacus leptodactylus)를 위한 가장 완전한 지침서를 제작하기로 결정했습니다. 가재의 몸을 12개의 서로 다른 구역이 있는 북적이는 도시라고 생각해 보십시오. 각 구역은 매우 특정한 일을 수행합니다. 어떤 곳은 소화를 담당하고, 어떤 곳은 움직임을 조절하며, 몇몇 곳은 촉각과 시각을 통해 세상을 감지하는 데 전념합니다. 연구진은 모든 구절에서 정확히 어떤 "작업"이 일어나고 있는지 알고 싶었습니다.

이를 위해 그들은 단순히 가재의 한 부분만을 본 것이 아니라, 더듬이, 심장, 위, 그리고 물속의 진동과 움직임을 느끼는 데 도움을 주는 고도의 기술이 집약된 센서와 같은 아주 특별하고 작은 신경계 부위인 "복부 수용기 기관(abdominal receptor organ)"을 포함한 12가지의 서로 다른 조직으로부터 샘플을 수집했습니다. 이 모든 곳에서 데이터를 수집함으로써, 연구팀은 가재의 전체적인 생물학적 활동 범위를 포착하고자 했습니다.

이 과정은 마치 수천 개의 작은 종이 조각들로부터 파쇄된 백과사전을 재구성하려는 노력과도 같았습니다. 연구진은 37개의 서로 다른 샘플에서 RNA를 시퀀싱하여 18억 쌍 이상의 유전적 "글자"라는 방대한 양의 데이터를 생성했습니다. 그 후 그들은 이 조각들을 다시 완전한 문장(전사체, transcripts)으로 맞추기 위해 세 가지 다른 컴퓨터 프로그램을 사용했습니다. 한 프로그램은 처음부터(de novo) 문장을 만들려고 시도했고, 다른 프로그램은 가재 게놈(마스터 설계도)의 초안을 가이드로 사용했습니다. 가재의 게본은 매우 크고 반복적인 패턴이 많아 길을 잃기 쉽기 때문에 처음부터 만드는 작업은 까다로웠습니다. 그러나 연구진은 서로 다른 컴퓨터 프로그램의 결과를 결합하고 스마트한 필터를 사용하여 중복되거나 지저분한 조각들을 제거함으로써, 93,345개의 전사체를 포함하는 최종 라이브러리를 성공적으로 조립해 냈습니다. 이 컬렉션은 가재의 활성 유전자에 대한 거대한 사전과 같습니다. 이 사전가 얼마나 훌륭한지 확인하기 위해, 그들은 거의 모든 갑각류가 가지고 있어야 할 1,536개의 유전자를 찾는 BUSCO라는 표준 테스트를 사용했습니다. 그들의 라이브러리는 **89.5%**의 완성도를 보였으며, 이는 그들이 찾고자 했던 필수 유전자들을 거의 모두 찾아냈음을 의미합니다.

이 프로젝트에서 가장 흥럽는 부분 중 하나는 신경계 조직을 포함시킨 것이었습니다. 이전 연구들은 이 부분을 놓쳤으며, 이로 인해 가재가 어떻게 생각하고 느끼는지에 대한 이해에 큰 공백을 남겼습니다. 연구진은 특히 세포의 전기와 움직임을 제어하는 작은 문인 이온 채널(ion channels)과 관련된 유전자들을 중점적으로 살펴보았습니다. 그들은 이전에 이 가재 종에서 10개의 특정 이온 채널 유전자를 클로닝했으며, 이를 "테스트 키"로 사용하여 새로운 라이브러리에 올바른 키가 들어있는지 확인했습니다. 결과는 어떠했을까요? 그들의 새로운 라이브러리에서 10개 모두의 특정 채널이 발견되었으며, 일치율은 84%에서 100% 사이였습니다. 더욱 놀라운 점은, 이 라이브러리가 이 전기 채널들이 있어야 할 곳에서 정확히 활성화되어 있음을 보여주었다는 것입니다. 신경 채널은 뇌와 감각 뉴런에서 뚜렷하게 나타났고, 근육 조절 채널은 근육에서 활발하게 작동하고 있었습니다. 이는 그들의 지도가 단순히 무작위로 모은 단어들의 집합이 아니라, 생물학적으로 정확한 가이드임을 확인시켜 주었습니다.

연구진은 또한 이 전사체들 중 약 25,729개가 다른 동물들의 알려진 단백질과 일치하여 이름과 기능을 부여받을 수 있다는 것을 발견했습니다. 그러나 라이브러리의 거대한 부분인 약 67,616개의 전사체는 기존 데이터베이스에서 아무것도 일치하는 것을 찾을 수 없었습니다. 처음에는 이것이 오류가 아닐까 걱정할 수도 있지만, 연구팀은 이들이 가재 자신의 DNA 설계도와 완벽하게 일치함을 보여줌으로써 실제임을 입증했습니다. 이는 가재가 아직 아무도 본 적 없는 수천 개의 고유한 유전자를 가지고 있음을 시사하며, 아마도 갑각류에 특화되어 있고 아직 연구되지 않았기 때문일 것입니다.

결국, 이 논문은 과학자들에게 기초적인 자원을 제공합니다. 이것은 단순한 유전자 목록이 아니라, 가재의 몸이 실시간으로 어떻게 작동하는지를 보여주는 기능적 아틀라스입니다. 연구진은 이전에는 무시되었던 감각 뉴런과 다른 조직에서의 활동을 포착함으로써, 이 생물들이 어떻게 환경을 감지하고, 어떻게 움직이며, 생태계의 변화에 어떻게 반응할 수 있는지 이해하는 문을 열었습니다. 이 데이터는 이제 공개되어 다른 과학자들이 이 매혹적인 생물들에 대한 미래의 발견을 위한 시작점으로 사용할 준비가 되어 있습니다.