Profile-HMM validation reveals annotation-derived inflation of apparent two-domain NucS occurrence and taxonomically concentrated NucS/MutS-MutL coexistence across 23,435 prokaryotic reference genomes
이 연구는 유전체 주석에만 의존하는 것이 전핵생물 전체에서 두 도메인 NucS의 출현과 NucS/MutS-MutL 공존에 대한 추정치를 상당히 부풀린다는 것을 입증하며, 프로파일 은닉 마르코프 모델을 통한 검증은 이러한 공존이 드물고 주로 Halobacteria와 Deinococcota에 분류학적으로 집중되어 있음을 밝혀낸다.
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세포가 분열할 때마다, 세포는 전체 유전적 지침서를 복사해야 합니다. 이 복사 과정은 결코 완벽할 수 없기에, 긴 책 속의 오타처럼 아주 작은 오류들이 끼어들곤 합니다. 만약 이를 방치한다면, 이러한 실수들이 축적되어 세포를 오작동하게 하거나 사멸하게 만들 수 있습니다. 이를 방지하기 위해, 생명체는 미스매치 수선(mismatch repair)이라고 알려진 정교한 교정 시스템을 진화시켜 왔습니다. 많은 박테리아에서 이 시스템은 DNA의 오류를 찾아내고 수정하기 위해 함께 작동하는 두 개의 특정 단백질 팀에 의존합니다. 하지만 자연에는 예외가 가득합니다. 일부 고대 계통, 즉 특정 고균(archaea)과 박테리아는 이 표준적인 팀을 사용하지 않습니다. 대신, 그들은 DNA의 실수를 스캔하고 잘라내는 동일한 필수 작업을 수행하기 위해 서로 다른 단 번째 단백질 하나에 의존합니다.
오랫동안 과학자들은 이 두 가지 수선 전략이 상호 배타적이라고 믿었습니다. 논리는 간단했습니다. 세포는 한 가지 시스템을 사용하거나 혹은 다른 하나를 사용할 뿐, 두 가지를 동시에 사용하는 경우는 드물다는 것이었습니다. 2017년의 한 주요 조사에서도 이 아이디어를 뒷받침하며, 두 시스템이 공존하는 경우는 오직 몇몇 특정 생물군에서만 발견된다는 점을 밝혀냈습니다. 그러나 최근 몇 년 동안 사용 가능한 유전 데이터가 폭발적으로 증가하면서, 즉 수만 개의 새로운 게놈이 가용해지면서, 그림은 더욱 모호해졌습니다. 엄청난 양의 데이터는 새로운 문제를 야ら옵니다. 이 유전적 책들을 읽는 컴퓨터 프로그램들이 실수를 저지르곤 하기 때문입니다. 프로그램들은 단백질의 한 조각만을 보고도 전체가 존재한다고 가정하거나, 부분적인 파편을 완전한 도구로 잘못 분류할 수 있습니다. 이는 특정 생물학적 도구가 얼마나 흔한지에 대해 잘못된 인상을 심어줍니다.
최 recent 연구는 23,435개의 참조 게놈이라는 방대한 컬렉션을 재검토함으로써 이 혼란을 해결하고자 했습니다. 연구자 키아라시 사데기안 에스파하니(Kiarash Sadeghian Esfahani)는 공공 데이터베이스에 붙어 있는 라벨을 단순히 신뢰하지 않았습니다. 대신, 그는 그 라벨들을 단순한 단서로 취급하고 실제 단백질의 구조를 확인하기 위해 근원으로 되돌아갔습니다. 그는 두 개의 뚜렷한 부분이 반드시 함께 존재해야 기능할 수 있는 대체 수선 단백질의 구체적인 건축적 청사진을 찾았습니다. 또한 표준적인 두 단백질 팀의 존재 여부도 확인했습니다. 실제 단백질 서열에 엄격한 컴퓨터 기반 테스트를 적용함으로써, 그는 일관되지 않은 라벨링이 만들어낸 노이즈를 걸러냈습니다.
재평가의 결과는 놀라웠습니다. 연구자가 처음에 데이터베이스 라벨을 보았을 때, 1,145개의 생물체가 대체 시스템과 표준 시스템을 동시에 보유하고 있는 것으로 나타났습니다. 이 숫자는 두 전략이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 자주 공존하고 있음을 시사했습니다. 그러나 연구자가 단백질이 실제로 완전하고 기능적인지를 검증하기 위해 엄격한 구조적 테스트를 적용하자, 진정한 공존 사례의 수는 급격히 감소했습니다. 최종 수치는 단 470개의 게놈으로 확정되었습니다. 이러한 감소는 초기 수치가 높았던 이유가 대부분 전체 단백질로 오인한 자동 주석(annotation)에 의한 환상이었음을 드러냈습니다.
더욱 중요한 것은, 이 연구가 공존의 패턴이 매우 특이적임을 확인했다는 점입니다. 두 시스템을 모두 실제로 보유한 470개의 게놈 중 거의 대부분은 단 두 그룹에 속해 있었습니다: 염분이 높은 환경에서 번성하는 유형의 고균과 극한 조건에 대한 회복력으로 알려진 박테리아 그룹입니다. 이 발견은 2017년의 더 작은 규모의 이전 조사와 완벽하게 일치하며, 유전 데이터의 거대한 확장에도 불구하고 생물학적 규칙이 안정적으로 유지되고 있음을 시사합니다. 공존을 보여주는 것처럼 보였던 다른 소수의 사례들은 오염되었거나 불완전한 유전 샘플에서 기인한 것으로 밝혀졌으며, 이는 이 현상이 드물고 집중되어 있다는 아이디어를 더욱 강화했습니다.
또한 이 연구는 우리가 유전 코드를 어떻게 읽어야 하는지에 대한 중요한 교훈을 강조했습니다. 데이터베이스가 특정 수선 단백질로서 유전자를 명시적으로 명명할 때는 거의 항상 정확하다는 것을 발견했습니다. 그러나 데이터베이스가 "수선 단백질의 일부를 포함함"과 같이 모호한 설명을 사용할 때는 거의 항상 틀렸습니다. 모호한 라벨이 단백질의 존재를 시사했던 대다수의 경우, 실제 단백질은 불완전하거나 필요한 두 번째 부분이 누락되어 있었습니다. 이 차이는 매우 중요한데, 왜냐하면 단순한 텍ext 검색에 의존하는 것이 과학자들로 하여금 어떤 생물학적 도구가 실제로는 매우 드문데도 불구하고 널리 퍼져 있다고 믿게 만들 수 있음을 보여주기 때문입니다.
궁극적으로, 이 작업은 더 많은 데이터를 갖는 것이 자동으로 더 명확한 그림을 의미하는 것은 아니라는 점을 상기시켜 줍니다. 엄격한 검증 없이는 정보의 홍수가 거짓 신호로 진실을 압도할 수 있습니다. 단백질의 물리적 구조를 검증하기 위해 시간을 들임으로써, 연구자는 데이터 태그를 단순히 수용하는 대신 훨씬 더 정확한 생명의 유전 코드 수선 지도를 제공했습니다. 결론은, 대체 수선 시스템이 표준 시스템과 함께 존재하기는 하지만, 이는 생명의 나무에서 특정 가지에 국한된 드문 사건이며, 그 겉보기의 풍부함은 자동 주석의 한계가 만들어낸 신기루에 불과했다는 것입니다.
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