Coleus blumei viroid 8: identification and characterization of a novel coleviroid harboring a unique terminal conserved hairpin

식물 생물학의 숨겨진 세계에는 생명의 기제 자체조차 결여될 만큼 매우 작은 병원체 부류가 존재한다. 이들은 바이로이드(viroids)로, 단백질 외피 없이 오직 단일 가닥의 원형 RNA로만 구성된 가장 작은 알려진 감염원이다. 단백질을 만드는 유전 설계도를 지닌 바이러스와 달리, 바이로이드는 스스로를 복제하기 위해 숙주 세포의 기제를 가로채는 벌거숭이 유전 루프이다. 이들은 자율적으로 복제하는 능력으로 알려진 가문에 속하며, 종종 경미한 성장 저해부터 심각한 기형에 이르는 작물 질병을 유발한다. 수십 년 동안 과학자들은 마치 책을 책등의 디자인과 제목으로 분류하듯, 이 작은 침입자들을 그 형태와 특정 유전적 특징에 따라 분류해 왔다. 특히 코를레오이로이드(coelevoids)라고 불리는 한 그룹은 화려하고 다채로운 잎으로 사랑받는 인기 있는 관상용 종인 콜레우스 식물을 감염시키는 것으로 알려져 있다. 이러한 감염 중 상당수는 육안으로는 알아차리지 못하지만, 이들의 유전적 구성을 이해하는 것은 식물의 건강과 이 단순한 분자들이 어떻게 진화하고 퍼져나가는지를 밝히는 데 매우 중요하다.

일본 히로사키 대학교의 연구팀은 최근 종자가 아닌 클론 방식으로 번식된 콜레우스 식물에 주목했다. 이 식물에서 연구진은 알려진 어떤 바이로이드와도 일치하지 않는 원형 RNA 분자를 발견했다. 분자를 크기와 모양에 따라 분리하는 특수 기술을 사용하여, 그들은 새로운 발견을 암시하는 뚜에는 뚜렷한 띠를 포착했다. 추가 분석 결과, 이 분자는 268개의 뉴클레오타이드(유전적 구성 단위) 길이로 이루어져 있었다. 과학자들이 구조를 지도화했을 때, 이 분자는 해당 가문의 특징인 막대 모양으로 접혔으나, 기존에 알려진 모든 구성원과 구별되는 독특한 유전적 서명을 지니고 있었다. 연구진은 이 새로운 발견물에 Coleus blumei viroid 8, 즉 CbVd-8이라는 이름을 붙였다.

연구진은 이 새로운 바이로이드가 알려진 서열과 알려지지 않은 서열이 뒤섞인 모자이크 형태임을 발견했다. 분류에 필수적인 핵심 영역인 중앙 핵은 이미 알려진 종인 CbVd-5와 동일했다. 그러나 이 중심부를 둘러싼 주변 구역들은 이전에 본 적 없는 완전히 다른 것이었다. 기존의 여섯 가지 코를레오이로이드와 비교했을 때, 이 새로운 바이로이드는 그들 중 어느 것과도 유전 코드를 70% 미만으로 공유했는데, 이는 이 바이로이드를 새로운 범주에 확고히 자리 잡게 하는 차이 수준이다. 또한 이 바이로이드는 한쪽 끝에 독특한 구조적 특징을 가지고 있었는데, 바로 3개의 유전 문자와 6개의 염기쌍으로 이루어진 줄기가 연결된 작은 루프였다. 이 그룹의 다른 작은 바이로이드들도 유사한 루프를 가지고 있었지만, 이와 같은 6단계의 줄기를 가진 것은 없었기에 CbVd-8은 구조적으로 구별되었다.

이 분자가 단순히 무작위적인 유전 파편이 아니라 실제로 살아있는 복제 병원체임을 증명하기 위해, 과학자들은 실험실에서 이를 합성하여 만들었다. 그들은 시험관에서 RNA를 배양한 뒤, 이를 건강하고 바이러스가 없는 콜레우스 묘목의 줄기에 문질렀다. 몇 달 안에 이 새로운 바이로이드는 성공적으로 자리를 잡았다. 이 바이로이드는 식물 내부에서 스스로를 복제하며 단일 및 이중 길이의 RNA 복사본을 모두 만들어냈는데, 이는 그것이 바이로이드로서 정확하게 기능하고 있음을 확인시켜 주었다. 연구진은 시간이 흐름에 따라 바이러스를 추적했으며, 증식하는 동안 유전적으로 매우 안정적으로 유지됨을 발견했다. 성공적인 감염에도 불구하고 식물은 눈에 보이는 병징을 보이지 않았으며, 건강하고 활기찬 상태를 유지했는데, 이는 명백한 해를 끼치지 않고 숙주와 공존하는 경우가 많은 이 가문의 다른 많은 바이로이드들의 행동 양상과 일치한다.

CbVd-8의 발견은 이 작은 병원체들이 어떻게 진화하는지에 대한 새로운 관점을 제공한다. 연구진은 이 새로운 바이로이드가 서로 다른 출처의 유전 물질이 섞여 새로운 변종을 만들어내는 과정인 자연 재조합을 통해 발생했을 가능성이 높다고 관찰했다. 게놈의 중앙 부분은 기존 종과 일치했지만, 양 끝단은 완전히 새로웠으며, 이는 독특한 생존자를 만들어낸 유전적 셔플링(재배열)의 역사를 시사한다. 연구팀은 또한 이 새로운 바이로이드가 콜레우스 식물에서 발견되는 증가하는 코를레오이로이드 목록에 속해 있다는 점에 주목하며, 이 식물들이 이러한 최소한의 병원체들 사이에서 유전적 다양성과 진화의 온상이 될 수 있음을 암시했다. 이 새로운 바이로이드를 식물에 감염시키는 신뢰할 수 있는 체계를 구축함으로써, 연구진은 과학자들이 이 단순한 RNA 루프가 어떻게 숙주와 상호작용하고 자연계에서 어떻게 계속해서 다양해지는지를 조사할 수 있는 귀중한 도구를 제공하였다.