The role of chromosome segmental mutations in eukaryotic pangenome evolution
이 연구는 *Gephyrocapsa huxleyi*와 다른 종들에서 나타나는 높은 돌연변이율과 반복 서열 연관 절단점을 근거로, 중복 및 결실을 포함한 대규모 분절 돌연변이가 진핵생물 팬게놈의 존재/부재 변이와 부가 게놈 진화를 주도하는 광범위하고 역동적인 기제로 작용함을 입증한다.
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모든 생명체는 DNA라고 불리는 코드로 작성된, 자신의 몸을 만들고 운영하기 위한 일련의 지침을 지니고 있습니다. 오랫동안 과학자들은 같은 종의 모든 구성원이 거의 동일한 지침서를 공유하며, 개체 간에는 아주 작은 오타만이 존재한다고 믿어 왔습니다. 그러나 생명에 대한 더 새로운 관점은 더욱 복잡한 현실을 드러냈습니다. 단 하나의 완벽한 매뉴얼 대신, 종은 종종 방대한 유전적 변이의 도서관을 보유하고 있습니다. 이 도서관의 일부 부분은 모든 개체에서 발견되어 생존에 필요한 핵심 지침을 형성합니다. 다른 부분은 일부 개체에서만 나타나며, 특정 환경에서 특정 집단이 살아남는 데 도움이 될 수 있는 선택적인 추가 요소 역할을 합니다. 이러한 핵심 부분과 선택적 부분의 집합을 팬게놈(pangenome)이라고 합니다. 연구자들은 박테리아가 이러한 선택적 부분들을 마치 카드 게임의 카드를 교환하듯 자유롭게 주고받는다는 것을 오래전부터 알고 있었지만, 동물, 식물, 조류가 이러한 유전적 덤을 어떻게 획득하고 상실하는지는 미스터리로 남아 있었습니다. 이러한 선택적 구역이 어떻게 나타나고 사라지는지를 이해하는 것은 변화하는 세상, 즉 온난해지는 바다나 새로운 질병으로부터 종이 어떻게 적응하는지에 대한 열쇠를 쥐고 있는 경우가 많기 때문에 매우 중요합니다.
최근 한 연구에서 연구자들은 Gephyrocapsa huxleyi라고 불리는 아주 작은 단세포 조류를 통해 이러한 대규모 유전적 변화의 기저에 깔린 메커니즘을 밝혀내고자 했습니다. 이 유기체는 해양에서 주요한 역할을 하며 거대한 생물 대발생(bloom)을 형성하여 지구 기후에 영향을 미치지만, 그 유전적 구성은 놀라울 정도로 유연합니다. 옥스퍼드 대학교와 프랑스 국립과학연구센터(CNRS)의 과학자들이 이끄는 연구팀은 '구간 돌연변이(segmental mutation)'라고 알려진 특정 유형의 유전적 오류에 집중했습니다. 단일 문자를 바꾸는 단순한 오타와 달리, 구간 돌연변이는 수백만 개의 글자와 수십 개의 유전자를 포함할 수도 있는 거대한 게놈 덩어리를 소실하거나 복제하는 것을 포함합니다. 이러한 희귀한 사건을 현장에서 포착하기 위해, 연구자들은 '돌연변이 축적(mutation accumulation)'이라는 기법을 사용했습니다. 그들은 이 조류의 단일 이배체 세포를 가져와 15개의 별도 가계 라인을 만들었습니다. 각 라인에서 그들은 단 몇 명의 개체만이 다음 세대를 시작하기 위해 살아남는 반복적인 병목 현상을 강제하여 인구 집단을 성장시켰습니다. 이 과정은 보통 해로운 돌연변이를 제거하는 자연적인 필터를 꺼버림으로써, 심지어 잠재적으로 해로운 커다란 오류들조차 수백 세대에 걸쳐 쌓이도록 허용합니다.
200세대 이상 이 라인들을 배양한 후, 연구자들은 원래의 조상과 모든 새로운 후손의 DNA를 시퀀싱하여 무엇이 변했는지 확인했습니다. 그들은 대규모 돌연변이가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 흔하다는 것을 발견했습니다. 이배체 라인에서는 염색체 한 세트당 약 80세대마다 한 번꼴로 새로운 구간 돌연변이가 발생했습니다. 이는 단일 문자 오타의 빈도보다는 낮지만, 진화적 시간 동안 게놈을 실질적으로 재편하기에는 충분한 빈도입니다. 돌연변이의 크기는 아주 작은 파편부터 천만 개의 글자에 달하는 거대한 구역까지 매우 다양했습니다. 놀랍게도, 연구자들은 조류가 실수로 전체 염색체 세트를 두 배로 늘려 사倍체(tetraploid)가 되었을 때, 이러한 대규모 돌연변이의 발생률도 두 배로 증가한다는 것을 관찰했습니다. 이는 게놈의 추가 복사본을 갖는 것이 세포를 더 불안정하게 만들고 DNA의 큰 덩어리를 잃거나 얻기 쉽게 만든다는 것을 시사합니다.
이 연구는 또한 이러한 유전적 단절이 주로 어디에서 발생하는지도 밝혀냈습니다. 연구자들은 소실되거나 복제된 구역의 가장자리가 거의 항상 반복되는 DNA 서열이 밀집된 영역에 위치한다는 것을 발견했습니다었습니다. 이는 동일한 패턴의 글자가 반복해서 나타나는 DNA 구간으로, 흔히 '점핑 유전자'라고 불리는 트랜스포존(transposon)과 관련이 있습니다. 증거에 따르면 이러한 반복적인 영역은 세포의 DNA 복구 기구를 유인하는 함정 역할을 합니다. DNA가 끊어지면 세포는 끝을 다시 꿰매어 고치려고 시도합니다. 그러나 반복되는 서열들이 서로 너무 비슷하게 생겼기 때문에, 복구 도구들이 때때로 엉뚱한 끝을 붙잡아 의도치 않게 구역을 삭제하거나 멀리 떨어진 두 부분을 결합해 버립니다. 세포의 자체적인 손상 복구 시도에 의해 발생하는 이 과정이 팬게놈을 정의하는 대규모 변이를 만들어냅니다.
이것이 조류만의 독특한 특성인지 아니면 생명의 일반적인 법칙인지를 확인하기 위해, 연구팀은 효모, 초파리, 벌레, 식물을 포함한 많은 다른 종의 데이터를 살펴보았습니다. 그들은 모든 종에 걸쳐 동일한 대규모 획득 및 손실 패턴을 발견했습니다. 이는 팬게놈을 구동하는 메커니즘이 단일 생물군에 국한되지 않고, 진핵생명체의 광범위한 특징임을 나타냅니다. 이 연구는 DNA를 깨뜨리고 복구하는 끊임없는 순환, 특히 반복적인 서열로 가득 찬 영역에서의 과정이 종을 다양화할 수 있게 하는 부가적인 유전 물질을 생성하는 주요 엔진이라는 점을 시사합니다. 이들은 드문 사고라기보다, 게놈을 재구성하여 진화가 작용할 수 있는 원재료를 제공하는 꾸준하고 반복적인 힘입니다. 이 과정을 이해함으로써, 과학자들은 자연에서 보이는 방대한 유전적 다양성이 어떻게 생성되고 유지되는지에 대한 더 명확한 그림을 얻을 수 있으며, 생명이 변화하는 행성의 도전에 어떻게 적응하는지에 대한 새로운 관점을 제공합니다.
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