Integrative genome and transcriptome mining identifies a diverse repertoire of cyclooxygenase/prostaglandin- endoperoxide synthase-like candidates in Porifera
방대한 유전체 및 전사체 데이터를 통합함으로써, 본 연구는 해면동물 내에서 다양한 사이클로옥시게나제/프로스타글란딘-엔도퍼옥사이드 신타아제 유사 후보군을 식별하였으며, 이는 이들의 부재에 대한 기존의 가정을 뒤집고 해당 효소 계통이 해면, 자포동물, 그리고 좌우대칭동물의 마지막 공통 조상에서 기원했음을 시사한다.
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수십억 년 동안 동물들은 염증, 혈류, 그리고 번식을 관리하기 위해 정교한 화학적 언어에 의존해 왔습니다. 이 시스템의 중심에는 사이클로옥시게나제(cyclooxygenases)라고 불리는 효소들이 있습니다. 이 효소들을 세포막에서 발견되는 흔한 지방산을 프로스타글란딘(prostaglandins)이라 알려진 강력한 신호 전달 분자로 변형시키는 특화된 분자 기계라고 생각해보십시오. 이 신호들은 몸에 상처를 치유해야 할 때, 감염과 싸워야 할 때, 또는 번식 주기를 촉발해야 할 때를 알려줍니다. 오랫동안 과학자들은 이 기계들이 척추동물이나 일부 산호와 같은 복잡한 동물들에게서만 나타난 비교적 최근의 발명품이라고 믿었습니다. 그 근거는 단순했습니다. 해면동물과 같은 가장 초기 단계의 동물 가지들은 이러한 효소를 위한 유전적 청사진을 전혀 갖추지 못한 것처럼 보였기 때문입니다. 수억 년 동안 존재해 온 해면동물이 이 효소들을 가지고 있지 않다면, 이 기계는 해면동물이 나머지 동물계에서 이미 갈라져 나온 이후에 더 나중에 진화했을 것이라는 논리였습니다.
이러한 가정은 해면동물의 유전 코드를 통한 포괄적인 탐색에 의해 이제 도전받고 있습니다. 세바스티아노 시벨리(Sebastiano Scibelli)라는 연구자는 독립적으로 작업하며 그 어느 때보다 깊이 들여다보기로 했습니다. 그는 단지 흩어져 있는 몇 개의 유전 서열에 의존하는 대신, 213종의 서로 다른 해면동물 종의 완전한 유전적 청사진과 어떤 유전자가 활성화되어 있는지를 보여주는 수천 개의 RNA 서열을 포함하여 방대한 데이터를 수집했습니다. 그런 다음 그는 강력한 컴퓨터 도구를 사용하여 이 데이터에서 사이클로옥시게나제 효소를 정의하는 특정 패턴을 스캔했습니다. 목표는 이 분자 기계의 유전적 특징이 수백만 년의 진화적 변화에 의해 변장한 채 해면의 게놈 속에 숨겨져 있는지 확인하는 것이었습니다.
그 탐색은 엄격했습니다. 연구자는 단순히 하나의 일치 항목을 찾는 것에 그치지 않고, 다층적인 검증 시스템을 구축했습니다. 그는 해면의 유전 서열을 다른 동물의 알려진 효소들과 비교했고, 효소를 작동하게 만드는 특정 구조적 부분을 확인했으며, 해당 유전자가 실제로 세포에 의해 읽히고 있는지 검증했습니다. 또한 그는 유전자의 물리적 구조를 살펴보고, 적절한 수의 섹션을 가지고 있는지, 그리고 RNA 증거가 DNA 예측과 일치하는지를 확인했습니다. 이 세심한 필터링 과정은 수백만 개의 잠재적 일치 항목을 일련의 매우 신뢰할 수 있는 후보군으로 좁혀 나갔습니다. 그 결과 67개의 광범위한 유전 모델이 발견되었으며, 이는 다시 해면 게놈 내의 47개 구역으로 정교화되었습니다. 이 중 15개의 후보가 모든 필수적인 구조적 특징을 갖추고 RNA 데이터에 의해 실제의 온전한 유전자로 확인되어 가장 강력한 증거로 꼽혔으나, 이 모델 중 작은 부분은 직접적인 동일 종의 RNA 지원보다는 진핵생물 맥락에 의존했습니다.
이러한 발견은 해면이 실제로 사이클로옥시게나제 효소를 위한 유전적 기계를 보유하고 있음을 시사하지만, 그것들은 인간이나 다른 복잡한 동물들이 가진 버전과는 다르게 보입니다. 연구자는 핵심적인 구성 요소를 유지하고 있는 18개의 주요 후보를 식별했습니다. 그러나 이 해면 버전들은 효소가 표적 분자를 잡는 방식을 제어하는 부분에서 변이를 보였습니다. 이러한 변이 중 일부는 이 효소들이 복잡한 동물의 대응물과 비교했을 때 다른 유형의 신호를 생성하거나 약간 다른 방식으로 작동할 수 있음을 시사합니다. 예를 들어, 일부 해면 효소는 지방산이 들어오는 '통로'에서 변화를 보였는데, 이는 최종 생성물의 형태를 바꿀 수 있습니다. 이는 기본적인 도구는 존재하지만, 해면이 자신들의 독특한 생물학적 필요에 맞춰 이를 맞춤화했을 수 있음을 의미합니다.
또한 이 연구는 이 유전자들이 드문 예외가 아니라 다양한 종류의 해면 전반에 걸쳐 널리 퍼져 있다는 것을 밝혀냈습니다. 연구자는 세 가지 주요 해면 그룹의 대표 종을 포함하여 22종의 서로 다른 종에서 이 유전자들의 증거를 발견했습니다. 일부 종에서는 심지어 동일한 게놈 내에 여러 버전의 유전자가 나란히 살고 있는 것을 발견했는데, 이는 해면이 시간이 흐름에 따라 이 유전자들을 복제하고 다양화해 왔음을 시사합니다. 이러한 다양성은 이 유전자들이 우연한 발생이나 다른 생물로부터의 오염이 아니라, 해면의 진정한 생물학적 도구 상자의 일부임을 나타냅니다.
아마도 가장 중요한 점은, 이 발견이 생명의 역사에서 이 효소들이 언제 처음 등장했는지에 대한 우리의 이해를 바꾼다는 것입니다. 해면은 동물 가족 나무에서 가장 오래된 생존 가지이기 때문에, 이 유전자들을 해면에서 발견했다는 것은 이 기계가 해면, 산호, 그리고 인간을 포함한 모든 동물의 공통 조상에게 존재했음을 의미합니다. 이는 사이클로옥시게나제 계통의 기원을 이전에 생각했던 것보다 수억 년 더 뒤로 밀어냅니다. 이는 이러한 필수적인 화학 신호를 만드는 능력이 나중에 발명된 것이 아니라, 모든 동물이 물려받은 근본적인 특성이었음을 시사합니다.
그러나 연구자는 이 연구가 증명하지 못하는 부분에 대해서도 주의를 기울이고 있습니다. 유전적 증거는 강력하지만, 이 해면 효소들의 실제 화학적 활성은 아직 실험실에서 테스트되지 않았습니다. 이 연구는 유전자가 존재하며 그것들이 사이클로옥시게나제처럼 보인다는 것을 확인해주지만, 그것들이 성공적으로 프로스타글란딘을 생성하는지 또는 인간의 버전과 정확히 똑같이 기능하는지는 보여주지 않습니다. 과학의 다음 단계는 이 유전적 후보들을 실험실로 가져가 그들이 실제로 어떤 화학적 신호를 만드는지 테스트하는 것입니다. 그때까지 이 발견은 동물 가족 나무에 대한 강력한 수정으로서, 우리 자신의 염증 및 번식 시스템의 유전적 뿌리가 우리가 상상했던 것보다 훨씬 더 깊고 오래되었다는 것을 드러내고 있습니다.
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