A duplicated Hedgehog ligand and a duplicated Patched receptor show different constraint and genomic context in land snails and slugs
이 연구는 육상 달팽이와 민달팽이에서 중복된 Hedgehog 리간드 및 Patched 수용체 유전자가 뚜렷한 진화적 궤적을 보이며, Hedgehog 복사본은 특정 도메인에서 완화된 제약과 급격한 분화를 겪는 반면 Patched 복사본은 강력하게 보존되고 공선성을 유지한다는 점을 밝힘으로써, 단백질체 기반의 인벤토리가 유전자 복사본 수를 과소평가할 수 있음을 강조한다.
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초파리에서 인간에 이르기까지 거의 모든 동물의 세포 내부에는 헤지호그(Hedgehog) 신호 전달 경로라고 알려진 짧지만 매우 중요한 통신 라인이 흐르고 있습니다. 이것을 성장하는 조직이 어떻게 배열되어야 하는지를 알려주는 단순한 3단계 스위치라고 생각해보십시오. 전령 단백질인 헤지호그 리간드(ligand)는 인접한 세포의 수용체인 패치드(Patched)를 향해 이동합니다. 전령이 도착하면 수용체의 잠금을 해제하며, 그러면 수용체는 세 번째 단백질인 스무든드(Smoothened)를 차단하던 것을 멈추어 신호가 세포핵으로 전달되어 발달을 지시할 수 있게 합니다. 이 시스템은 각 부분이 함께 작동하는 정밀한 양에 의존하기 때문에, 과학자들은 이 부분들에 대한 유전적 지침이 실수로 복제되었을 때 어떤 일이 일지는 오랫동안 궁금해해 왔습니다. 세포는 두 복사본을 모두 유지할까요, 아니면 하나를 버릴까요? 그리고 만약 두 복사본을 모두 유지한다면, 그것들이 똑같이 작동할까요, 아니면 서로 멀어질까요?
새로운 연구에서 연구자들은 이 과정을 실제로 관찰하기 위해 육지 달팽이와 민달팽이에 주목했습니다. 이 생물들은 그들의 진화 역사에 전체 염색체 세트가 복제되어 유전 물질이 실질적으로 두 배가 된 거대한 사건이 포함되었을 수 있다는 점에서 특히 흥미롭습니다. 만약 이런 일이 일어났다면, 달팽이들은 헤지호그 경로의 모든 유전자에 대해 두 개의 복사본을 갖게 되었을 것입니다. 질문은 이 추가된 복사본들이 쌍둥자처럼 동일하게 유지되며 제약을 받느냐, 아니면 하나는 빠르게 변하는 동안 다른 하나는 그대로 유지되는 식으로 서로 다른 길을 걷느냐 하는 것이었습니다.
연구진은 11종의 육지 달팽이와 민달팽이의 유전적 청사진을 조사했습니다. 그들은 수용체인 패치드에 대해 연구한 결과, 안정성의 이야기를 발견했습니다. 모든 종에서 패치드 유전자의 두 복사본이 모두 유지되었으며, 두 복사본 모두 원래 모습 그대로 유지되도록 엄격한 진화적 압력을 받고 있었습니다. 이들은 시간이 흘러도 크게 변하지 않았습니다. 또한, 과학자들이 이 유전자들의 물리적 위치를 조사했을 때, 두 패치드 복사본이 마치 같은 책에서 찢겨 나온 두 페이지처럼 명확하게 연관된 한 쌍의 염색체 위에 놓여 있다는 것을 발견했습니다. 이 염색체들 주변의 유전자 이웃 구역 또한 대체로 보존되어 있었는데, 이는 이 복사본들이 국소적인 유전적 경관을 온전히 유지한 대규모 복제 사건의 결과임을 시사합니다.
헤지호그 전령은 매우 다른 이야기를 들려주었습니다. 수용체와 마찬가지로 달팽이들도 헤지호그 유전자의 두 복사본을 유지했습니다. 그러나 이 두 복사본은 평등하지 않았습니다. 한 복사본은 패치드 유전자처럼 엄격한 통제 아래서 천천히 진화하며 그대로 유지되었습니다. 하지만 다른 복사본은 변화가 허용되었습니다. 이 복사본은 돌연변이를 훨씬 더 빠르게 축적하며, 파트너보다 거의 두 배 빠른 속도로 원래의 코드에서 벗어났습니다. 이 더 빠르게 진화하는 복사본은 기능적 부분을 나누는 비부호화 DNA(non-coding DNA)가 적어 구조가 더 짧았습니다. 연구진이 단백질 구조를 자세히 살펴보았을 때, 이러한 변화는 무작위가 아니었습니다. 변화는 단백질 끝부분의 특정 영역에 집중되어 있었으며, 이는 나머지 시스템이 안정적인 상태를 유지하는 동안 이 분자의 이 부분이 새로운 형태를 실험할 자유가 있었음을 시사합니다.
가장 놀라운 점은 아마도 이 두 헤지호그 복사본의 물리적 위치가 패치드 복사본과 같은 명확한 관계를 보여주지 않았다는 것입니다. 두 헤지호그 유전자는 여전히 연관성이 있는 것으로 보이는 염색체에서 발견되었지만, 그 연결 고리는 훨씬 약했습니다. 주변 유전자들이 너무 많이 뒤섞이고 변해서 원래의 이웃 구역은 거의 사라졌습니다. 이는 두 헤지호그 복사본이 패치드와 함께 복제된 염색체에서 시작되었을지라도, 헤지호그 유전자 주변 지역은 훨씬 더 빠르고 혼란스러운 변화의 역사를 겪었으며, 패치드 유전자 주변에 남아 있는 명확한 지도를 지워버렸음을 시사합니다.
이 연구는 또한 과학자들이 유전자를 세는 방식에 숨겨진 문제를 밝혀냈습니다. 연구진이 직접 원시 유전 데이터를 확인했을 때, 이전의 컴퓨터 프로그램들이 여러 종에서 유전자를 놓치거나 단일 유전자를 두 개의 가짜 유전자로 나누어 놓았다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 한 종은 글리(Gli)라는 유전자의 복사본을 하나만 가진 것으로 생각되었으나, DNA를 더 깊이 조사한 결과 두 번째의 부분적으로 손상된 복사본이 존재함을 밝혀냈습니다. 또 다른 종은 단백질 목록에 헤지호그 유전자가 전혀 없는 것처럼 보였으나, DNA 상에는 두 개의 완전한 복사본이 있었습니다. 이러한 오류들은 단순히 단백질을 세는 것만으로는 충분하지 않으며, 전체 그림을 보기 위해서는 반드시 원시 유전 코드를 살펴봐야 한다는 점을 강조합니다.
이 연구 결과는 진화가 추가된 유전 물질을 어떻게 다루는지에 대한 명확한 그림을 그려줍니다. 동일한 작은 유전자 집단 내에서도, 서로 함께 작동하는 각 부분은 완전히 다른 규칙을 따를 수 있습니다. 수용체는 단단하고 변하지 않은 채로 남았고, 전령은 하나의 안정적인 버전과 변화할 수 있는 하나의 버전으로 나뉘었으며, 전달 단백질은 모든 종에서 단일 복사본으로 남아 있었습니다. 이는 복제된 유전자의 운명이 복제 사건 자체에 의해 결정되는 것이 아니라, 그 유전자가 세포 내에서 수행하는 구체적인 역할에 의해 결정된다는 것을 보여줍니다. 시스템의 어떤 부분은 변화를 감수하기에는 너무 중요하여 위험을 피하는 반면, 다른 부분은 진화하고 새로운 가능성을 탐색할 수 있는 자유를 부여받습니다.
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