Understanding single nucleotide polymorphism (SNP) in pyruvate dehydrogenase E1 and E2 component in different bacterial species

생명은 유기체와 그 주변 환경 사이의 끊임없는 협상 과정이다. 박테리아가 생존하기 위해서는 외부 세계의 온도, 산도, 이용 가능한 먹거리가 변화하는 와중에도 내부의 기계 장치가 원활하게 돌아가도록 유지해야 한다. 이 기계 장치의 핵심 부품 중 하나는 피루브산 탈수소효소(pyruvate dehydrogenase)라는 효소로, 이는 영양분을 세포가 기능하는 데 필요한 에너지로 전환하는 중심 허브 역할을 한다. 이 효소는 E1과 E2라고 알려진 두 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다. 시간이 흐름에 따라 이 부품들을 만드는 유전 암호는 미세하게 변할 수 있다. 유전적 알파벳의 단 한 글자가 다른 글자로 바뀌는 이러한 미세한 변화를 단일 염기 다형성(single nucleotide polymorphism)이라고 한다. 이러한 교체 중 일부는 해롭지 않지만, 다른 것들은 효소의 형태와 기능을 변화시켜 박테리아가 새로운 도전에 적응하도록 돕거나, 반대로 박테리아를 고전하게 만들 수도 있다. 이러한 변화가 어디에서 발생하는지, 그리고 얼마나 빈번하게 일어나는지를 이해하는 것은 박테리아가 변화하는 세상의 요구에 부응하기 위해 현재 어떻게 진화하고 있는지에 대한 창을 제공한다.

최근 싱가포르 국립대학교의 한 연구자는 여러 종류의 박테리아 전반에 걸쳐 이러한 유전적 변화를 지도화하는 연구를 수행했다. 목표는 표준 참조점으로 사용된 에스케리키아 콜라이(Escherichia coli)와 세 가지 다른 종인 클레브시엘라 폐뉴모니애(Klebsiella pneumoniae), 살모넬라 엔테리카(Salmonella enterica), 비브리오 콜레라(Vibrio cholerae) 사이에서 피루브산 탈수소효소의 E1 및 E2 부분에 대한 유전자가 어떻게 다른지 확인하는 것이었다. 이를 위해 연구자는 이 박테리아들의 유전자 서열을 나란히 스캔할 수 있는 맞춤형 컴퓨터 프로그램을 작성했다. 이 소프트웨어는 마치 세심한 편집자처럼 참조 박테리아의 유전 코드를 읽고 다른 종의 코드와 글자 하나하나를 비교했다. 소프트웨어가 불일치를 발견할 때마다 해당 위치와 구체적인 변화 유형을 기록했다. 이 과정은 돌연변이가 어디에 밀집되어 있는지와 총 몇 개가 존재하는지에 대한 상세한 프로필을 가능하게 했다.

결과는 이 박테리아들이 진화하는 방식에 있어 현저한 차이가 있음을 드러냈다. 효소의 E1 구성 요소를 살펴보았을 때, 클레브시엘라 폐뉴모니애와 살모넬라 엔테리카는 참조 대상에 비해 상대적으로 적은 변화를 보였다. 이들의 유전자 서열은 대체로 안정적이었으며, 돌연변이는 변하지 않은 긴 구간들로 분리된 채 흩어진 집단 형태로 나타났다. 이러한 패턴은 이 두 종이 이 효소의 특정 부분에 대해 변화를 가해야 할 강력한 압력을 느끼지 않았음을 시사한다. 반면, 비브리오 콜레라는 다른 이야기를 들려주었다. 이 종은 E1 구성 요소에서 다른 두 종보다 약 4배나 더 많은 수의 변화를 훨씬 더 많이 보유하고 있었다. 게다가 이러한 변화는 간격 사이에 흩어져 있는 것이 아니라 유전자 전체에 걸쳐 고르게 퍼져 있었다. 이러한 균등한 분포는 비브리오 콜레라가 이 효소의 형태를 재구축하라는 강렬한 압박을 받고 있음을 시사하며, 아마도 현재의 환경 조건에서 더 잘 작동하는 새로운 구조를 찾고 있는 것으로 보인다.

연구자가 E2 구성 요소를 조사했을 때 상황은 더욱 복잡해졌다. 여기서 세 가지 비참조 종 모두 엄청난 양의 유전적 변화를 보였다. 각 종은 E2 유전자 전반에 걸쳐 수백 개의 돌연변이를 보유하고 있었으며, 변화는 네 가지 유전적 글자의 종류 모두에서 대략 동일한 숫자로 나타났다. 일부 종은 안정적이었던 E1 구성 요소와 달리, E2 유전자는 시작부터 끝까지 변화로 가득했다. 데이터는 이 박테리아들이 이 특정 영역에서 급격한 진화를 겪고 있음을 나타냈다. 돌연변이의 엄청난 양과 고른 분포는 현재의 E2 구성 요소의 형태가 현대 세계에 딱 맞지 않음을 시사한다. 박테리아는 온도나 pH와 같은 환경적 요인 및 변화하는 영양 지형을 감당할 수 있는 구성을 찾기 위해 전체 단백질 구조에 걸쳐 수많은 변형을 시도하고 있는 듯하다.

궁극적으로 이 연구는 변화 속에 있는 박테리아를 가리킨다. 연구 결과는 피루브산 탈수소효소의 어떤 부분은 특정 종에서 안정적으로 유지되는 반면, 다른 부분은 격렬한 조정기를 거치고 있음을 보여준다. 이 효소는 오늘날의 환경에서 효율적으로 기능할 수 있는 완벽한 형태를 찾기 위해 고군분투하고 있는 것으로 보인다. 특히 E2 구성 요소에서 나타나는 돌연변이의 고른 분포는 박테리아가 아직 단 하나의 쉽고 간단한 해결책을 찾지 못했음을 의미한다. 대신, 그들은 변화하는 세상에 자신들의 에너지 생성 기계 장치를 맞추어야 한다는 절박한 필요성에 의해 추진되어, 광범위한 가능성을 탐색하고 있다.