An AI-assisted genomic census of 193,342 assemblies finds a GFP-barrel family in unreported lineages, carrying pseudogenes in both fungi and cnidarians
193,342개의 어셈블리를 대상으로 한 AI 보조 유전체 인구 조사는 보고되지 않은 균류 및 자포동물을 포함한 다양한 미보고 계통 전반에 걸쳐 보존된 매몰 전하 네트워크를 가진 광범위한 GFP-배럴 패밀리를 밝혀냈으며, 여기서 해당 유전자는 빈번하게 가유전자화되어 있으나 생존한 복제본에서는 정화 선택을 받고 있고 박테리아에서 이동성 DNA 연관의 증거를 보인다.
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지구상의 생명체는 모든 세포가 스스로를 어떻게 구축할지를 알려주는 네 가지 화학적 문자로 쓰인, 거대하고 보이지 않는 유전적 지침의 도서관에 의존하고 있습니다. 수십 년 동안 과학자들은 소화에서부터 시각에 이르기까지 모든 것을 움직이는 분자 기계인, 활성 상태의 작동하는 단백질을 만들어내는 코드의 부분에 집중해 왔습니다. 하지만 게놈의 상당 부분은 더 이상 기능하지 않는 고장 나거나 불완전한 지침을 포함하고 있다는 이유로 종종 "정크(junk)"로 치부되곤 합니다. 해양 생물학의 세계에서 가장 유명한 유전적 발견 중 하나는 녹색 형광 단백질인데, 이는 어둠 속에서 빛을 내며 실험실에서 세포가 작동하는 모습을 관찰하는 표준 도구가 된 분자입니다. 이 단백질은 빛을 내는 화학적 중심부를 가두는 견고한 배럴(barrel) 모양의 구조로 접힙니다. 수년 동안 연구자들은 만약 이 배럴 모양이 빛을 내는 중심부 없이 존재한다면, 그것은 아마도 진화의 과정에서 남겨진 고장 난 쓸모없는 잔재일 것이라고 믿었습니다.
그러나 새로운 연구는 그 어느 때보다 유전 코드를 훨씬 더 깊이 들여다봄으로써 이러한 가정을 반박합니다. 연구진은 알려진 작동하는 단백질 목록에 의존하는 대신, 거의 20만 개의 서로 다른 유기체의 가공되지 않은 유전 설계도를 스캔했습니다. 그들은 특정한 숨겨진 패턴, 즉 빛을 내는 부분 자체는 잃었지만 빛을 내는 단백질의 복잡한 내부 기계 구조는 유지하고 있는 배럴 모양의 단백질을 찾아 헤맸습니다. 그들이 발견한 것은 이러한 비발광 배럴들의 광범한 가족군이었으며, 이들은 내부에 특정한 전기적 전하 네트워크를 지니고 있었고, 한 번도 이를 가지고 있을 것이라 의심받지 않았던 생명 계통에서 존재하고 있었습니다. 이 연구는 이 단백질들이 단순한 무작위 유전 파편이 아님을 보여줍니다. 많은 경우 이들은 진화에 의해 정성스럽게 보존되고 있으며, 이는 어둠 속에서 아직 발견되지 않은 필수적인 역할을 수행하고 있음을 시사합니다.
연구는 단순하지만 거대한 질문에서 시작되었습니다: 이 특정 단백질 가족은 생명의 나무 전체에 걸쳐 얼마나 멀리 뻗어 있는가? 이전 연구들은 세포가 이미 만들어내고 목록화한 단백질만을 살펴보았기에, 세포가 최종 산물을 만들지 못하게 만드는 고장 나거나 불완가한 유전적 지침들을 놓쳤습니다. 전체 그림을 찾기 위해 연구팀은 거의 20만 개의 서로 다른 게놈 조립체를 모든 가능한 방향으로 읽어내는 컴퓨터 보조 검색을 사용했습니다. 이 접근 방식은 설령 단백질 생성을 막는 오류를 포함하고 있더라도 배럴 단백질과 유사해 보이는 유전 서열을 포착할 수 있게 해주었습니다. 검색 결과는 패턴과 일치하는 거의 400개의 게놈 위치를 반환했습니다. 연구진이 이 결과들을 필터링하여 배럴 내부의 완전한 숨겨진 전기 네트워크를 지닌 것들을 찾아냈을 때, 그들은 140개의 뚜렷한 위치를 식별해 냈습니다. 이 위치들은 77가지의 서로 다른 유형의 유기체에 속해 있었으며, 이 단백질 가족의 알려진 범위를 크게 확장했습니다.
새로운 발견물 중에는 이 가족군과 이전에 연결된 적이 없던 유기체들도 포함되어 있었습니다. 이번 검색은 고대의 해면 동물, 코로네이트(coronate)라고 알려진 해파리의 한 종류, 심지어 극한 환경에서 살아가는 아르케아(archaea)라고 불리는 단세포 생물에서도 이 배럴 단백질을 찾아냈습니다. 아마도 가장 놀라운 점은, 연구팀이 버섯과 곰팡이를 포함하는 그룹인 균류에서도 이 단백질들을 발견했다는 것입니다. 균류 샘-플에서 연구진은 상당수의 유전적 지침이 고장 나 있어 작동을 방해하는 오류를 포함하고 있다는 사실을 발견했습니다. 이러한 고장 난 복사본의 패턴은 해파리 및 산호 친척들에게서도 관찰되었는데, 이는 이 단백질이 일부 계통에서는 유용하지만 다른 계통에서는 무너지고 있음을 시사합니다. 연구는 진화적 재구성을 사용하여 특정 흑곰팡이 그룹에서 이 유전자가 독립적으로 여러 번 소실되었음을 보여주었으며, 이는 그것이 생존에 필수적이지 않음을 나타냅니다.
고장 난 복사본들에도 불구하고, 온전하게 남아 있는 게놈의 부분들은 다른 이야기를 들려주었습니다. 유전자가 여전히 온전한 유기체들에서, DNA는 형태를 유지하기 위해 엄격한 진화적 압력을 받고 있다는 징후를 보였습니다. 이는 단백질 구조의 무작위적인 변화가 자연 선택에 의해 걸러지고 있음을 의미하며, 이는 단백질이 중요한 무언가를 하고 있다는 강력한 신호입니다. 한 종류의 산호에서는 이 유전자가 연속으로 11번이나 복제되었는데, 이는 해당 생물이 이 유전자에 크게 의존하고 있다는 신호입니다. 또한 연구진은 두 그룹의 서로 다른 박테리아에서 이 배럴 유전자들이 박테리아를 감염시키는 바이러스나 게놈 사이를 이동하는 점핑 유전자와 같은 이동성 유전 요소 안에 자리 잡고 있음을 발견했습니다. 이는 이 유전자가 서로 다른 종의 박테리아 사이를 이동할 수 있음을 시사하며, 이 과정은 새로운 환경으로의 확산을 도울 수 있습니다.
연구는 또한 이 단백질들의 구체적인 화학적 구성도 면밀히 조사했습니다. 유명한 형광 단백질의 경우, 빛을 만드는 데 티로신이라는 특정 아미노산이 필수적입니다. 이 새롭게 발견된 가족군에서는 그 티로신이 빛을 내지 않는 다른 아미노산들로 대체되어 있습니다. 균류와 박테리아 버전에서는 그 자리가 주로 발린(valine)으로 채워져 있는 반면, 동물 버전에서는 종종 페닐알라닌(phenylalanine)으로 채워져 있습니다. 이러한 일관된 교체는 이 단백질이 빛과 관련이 없는 새로운 기능을 갖도록 진화했음을 시사합니다. 연구진은 내부 전기적 전하 사이의 거리를 측정하였고, 이 가족군의 배열이 형광 단백질과는 구별된다는 것을 발견하여 이들이 독특한 집단임을 더욱 확인했습니다. 이 단백질들의 정확한 역할은 여전히 미스터리로 남아 있지만, 일부 종에서는 보존되고 다른 종에서는 소실되는 양상은 생명의 나무 전반에 걸쳐 전문화된 역할을 수행하고 있음을 시사합니다.
가장 흥amm한 발견 중 하나는 단백질 목록에 이들을 보유하고 있지 않은 유기체들에서 이 단백질들이 발견되었다는 점이었습니다. 연구가 직접 DNA를 조사했기 때문에, 전통적인 방식으로는 놓쳤던 유전적 지침들을 찾아낼 수 있었습니다. 예를 들어, 연구는 다른 해양 동물 내부에서 살아가는 미세 조류 그룹과, 이들을 보유하고 있다고 보고된 적이 없는 특정 해면에서 이 배럴들을 발견했습니다. 연구진은 이것들이 다른 유기체로부터 온 오염물일 가능성을 배제하기 위해, 유전자들이 진정으로 숙주의 것인지 확인하는 다중 검증을 사용하여 주의를 기울였습니다. 또한 일부 경우, 고장 난 버전의 유전자들이 작동하는 단백질을 만들 수는 없더라도 세포에 의해 여전히 읽히고 있다는 사실도 발견했는데, 이는 이러한 유전적 지침이 어떻게 사용되는지에 대한 또 다른 복잡성을 더해줍니다.
이 연구는 이 단백질들이 무엇을 하는지에 대한 미스터리를 해결했다고 주장하지 않습니다. 대신, 이들이 어디에서 발견되며 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지에 대한 명확한 지도를 제공합니다. 연구진은 다음 단계가 실제로 이 단백질들을 실험실에서 구축하고 그것들이 어떤 화학 반응을 수행할 수 있는지 테스트하는 것이라고 제안합니다. 그때까지 이 연구는 단순히 완성된 결과물만이 아니라, 가공되지 않은 유전 코드를 직접 들여다보는 것이 어떻게 진화 역사의 숨겨진 장들을 드러낼 수 있는지를 보여주는 강력한 증거로 남을 것입니다. 이는 자연이 원래의 기능을 상실한 후에도 복잡한 분자 기계를 유지하며, 생명의 어두운 구석에서 새로운, 보이지 않는 역할을 위해 그것들을 재용도화한다는 것을 보여줍니다.
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