Metazoan-wide phylogenomics supports the emergence of recognisable canonical prostanoid-receptor family structure across the vertebrate transition
이 후생동물 전반에 걸친 계통유전체학 연구는 프로스타노이드 수용체의 전형적인 8개 가족 구조가 척추동물 특유의 혁신임을 입증하며, 이전에 제안된 비척추동물 상동 유전자들이 실제로는 진정한 직계 상동성이 아니라 계통학적 근접성으로 인해 척추동물의 EP4 수용체와 유사해 보이는 별개의 수용체 계통임을 밝혀냈다.
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가장 단순한 해면동물부터 복잡한 인간에 이르기까지, 동물의 몸 안에서는 염증, 혈류, 번식과 같은 필수적인 과정을 조절하는 정교한 화학적 언어가 작동하고 있다. 이 언어는 프로스타노이드라고 불리는 지질 분자 집단에 의존하며, 이들은 국소적인 메신저 역할을 한다. 세포들은 이 메시지를 받기 위해 세포벽에 박혀 있는 특수 단백질인 수용체를 사용한다. 물고기, 새, 포유류와 같은 척추동물의 경우, 이 수용체들은 여덟 개의 뚜렷한 가문으로 조직되어 있으며, 각 가문은 특정 유형의 프로스타노이드 신호에 맞춰져 있다. 과학자들은 오랫동안 이 복잡한 8개 가문 체계가 고대 조상으로부터 물려받은 것이라고 가정해 왔으며, 이는 해파리나 곤충처럼 척삭이 없는 생물들도 이 여덟 가지 특정 가문의 직접적인 진화적 전신을 보유하고 있어야 함을 의미했다.
새로운 연구는 이러한 오랜 가설에 의문을 제기하며, 전 세계 동물계 전체를 대상으로 이 수용체들의 유전적 역사를 조사했다. 독립 연구자인 세바스티아노 시벨리(Sebastiano Scibelli)가 이끄는 이 연구는 이 여덟 가지 수용체 가문의 인식 가능한 구조가 실제로 언제 어떻게 출현했는지 밝혀내고자 했다. 수천 개의 유전 데이터셋을 분석하여 이 연구는 척추동물에서 발견되는 특정한 8개 가문의 배열이 모든 동물의 특징이 아니라, 척추동물로 전환되는 과정에서 구체적으로 나타난 발달 사항임을 밝혀냈다.
연구자는 먼저 방대한 양의 유전 데이터를 수집하여 30개의 서로 다른 동물 그룹을 대표하는 3,000종 이상의 단백질 서열을 조사했다. 그들은 이 서열들을 8개 가문의 표준 참조 역할을 하는 엄선된 78개의 알려진 척추동물 수용체 세트와 비교했다. 목표는 비척추동물 동물들이 이 여덟 가지 확립된 범주에 딱 들어맞는 수용체를 보유하고 있는지 확인하는 것이었다. 연구자는 정확성을 보장하기 위해 엄격한 다단계 과정을 사용했다. 먼저 잠재적인 일치 항목을 찾기 위해 넓은 그물을 던졌고, 그다음 적절한 구조를 갖추었는지 확인하기 위해 엄격한 필터를 적용했으며, 마지막으로 이들이 어디에 속하는지 보기 위해 진화 계통도에 배치했다. 이 방법은 단순히 척추동물의 것과 유사한 수용체와 진정한 진화적 친척인 수용체를 구분할 수 있게 해주었다.
결과는 놀라웠다. 비척류동물로부터 분석된 수천 개의 서序列 중에서 단 하나도 이 여덟 가지 정형화된 가문 안에 확정적으로 배치될 수 없었다. 이 고대의 수용체들이 넓은 의미에서 프로스타노이드 체계와 관련이 있는 것은 사실이었지만, DP1, EP1~EP4, FP, IP, TP로 알려진 특정 그룹에는 속하지 않았다. 대신, 비척류동물의 수용체들은 척추동물 가문이 완전히 형성되기 전에 갈라져 나온 독자적인 계통을 형성했다. 연구자는 이 고대 수용체들이 종종 특정 척추동물 가문인 EP4와 가장 가깝게 나타난다는 것을 발견했지만, 이는 진화 계통도가 형성된 방식 때문이지 이들이 EP4 가문의 진정한 조상이라는 증거는 아니었다. 연구자는 이러한 근접성이 직접적인 혈통의 징후가 아니라 데이터의 기하학적 인위적 결과임을 입증했다.
또한 이 연구는 말미구리(sea anemones)와 산호에서 특정 수용체를 척추동물 EP2 및 EP4의 직접적인 대응물로 식별했던 이전 연구를 다루었다. 더 포괄적이고 엄격한 방법으로 유전 서열을 재검토한 결과, 저자는 이러한 할당이 잘못되었음을 발견했다. 말미구리의 서열은 확실히 프로스타노이드 체계와 관련이 있었지만, 특정 EP2 또는 EP4 범주에는 부합하지 않았다. 더욱 중요한 점은, EP2와 EP4로 분류되었던 산호의 서열은 프로스타노이드 수용체 가문과 전혀 관련이 없으며, 대신 다른 세포 표면 단백질 그룹에 속한다는 것이었다. 이는 단순한 유사성 검색에 크게 의존했던 초기 연구들이 이러한 고대 단백질을 오인했을 가능성을 시사한다.
인식 가능한 8개 가문의 구조의 등장은 척추동물이 진화함에 따라 점진적으로 일어난 것으로 보인다. 연구는 8개의 뚜렷한 가문으로의 명확한 분리가 초기 척삭동물에서 유악류(jawed vertebrates)로 전환되는 과정에서 확립되었다는 것을 보여준다. 칠 anhand(lampreys)나 칠성장어(hagfish)와 같은 일부 초기 척추동물 그룹은 이러한 출현하는 구조의 징후를 보였으나, 완전하고 안정적인 배열은 아직 완성되지 않은 상태였다. 현대의 유악류 조상들에 이르러서야 이 체계는 오늘날 보이는 8개 가문으로 공고해졌다. 연구자는 또한 이 유전자들이 염색체 상의 물리적 위치를 조사하여 이들이 어떻게 증식했는지 이해하고자 했다. 그들은 일부 수용체 쌍이 동일한 염색체 상에 가깝게 남아 있어 국소적 복제에 의해 생성되었음을 시사하는 반면, 다른 것들은 흩어져 있어 대규모 게놈 복제를 포함한 더 복잡한 역사를 암시한다는 것을 발견했다. 그러나 데이터는 모든 8개 가문이 단 하나의 고대 사건에 의해 동시에 생성되었다는 단순한 모델을 뒷받로하지 않았다.
이 작업은 동물의 신호 전달 체계가 어떻게 진화했는지에 대한 우리의 이해를 근본적으로 바꾼다. 이는 프로스타노이드 신호에 반응하는 능력이 고대부터 널리 존재해 왔으며, 동물계 전반에 걸쳐 다양한 형태로 존재해 왔음을 보여준다. 그러나 척추동물 생물학을 정의하는 특정한, 고도로 조직화된 8개 가문 체계는 나중에 나타난 혁신이다. 무척추동물에서 발견되는 수용체들은 척추동물 체계의 망가지거나 불완전한 버전이 아니라, 유사한 기능을 수행하면서도 다른 진화 경로를 따랐던 다양하고 독립적으로 진화하는 단백질 풀이다. 연구는 결론적으로, 척추동물의 프로스타노이드 체계의 복잡성은 기존의 완전히 형성된 무척후동물 조상으로부터의 직접적인 상속이라기보다, 국소적인 유전자 복제와 더 큰 게놈 사건들의 혼합으로부터 발생한 해당 계통만의 고유한 특징이라고 밝혔다.
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