top of page

Evolution & Genetics

바야흐로 꽃피는 계절, 봄이다. 식물들은 시간의 변화에 따라 꽃또 피우고 낙엽도 지우며 우리들의 눈을 즐겁게 해주지만 결코 노래를 들려주지는 않는다. 그래서 꽃이 만개한 식물원을 걷거나 정원에서도 조용한 음악을 들으며 쉴 수가 있다. 그런데 언제부턴가 식물도 움직이고 소리를 낸다고 생각하는 사람들이 있었고 드디어 식물이 내는 소리를 녹음해서 들려줄 수 있게 되었다. 우리가 듣기엔 그저 클릭하는 소리로 들릴지 모르지만 식물에 따라 상황에 따라 다른 소리를 낸다니 신기한 일이 아닐 수 없다. 벗꽃이 만개한 요즘 과연 식물들은 뭐라고 얘기하고 있는 걸까?

식물들의 외침?

바야흐로 꽃피는 계절, 봄이다. 식물들은 시간의 변화에 따라 꽃또 피우고 낙엽도 지우며 우리들의 눈을 즐겁게 해주지만 결코 노래를 들려주지는 않는다. 그래서 꽃이 만개한 식물원을 걷거나 정원에서도 조용한 음악을 들으며 쉴 수가 있다. 그런데 언제부턴가 식물도 움직이고 소리를 낸다고 생각하는 사람들이 있었고 드디어 식물이 내는 소리를 녹음해서 들려줄 수 있게 되었다. 우리가 듣기엔 그저 클릭하는 소리로 들릴지 모르지만 식물에 따라 상황에 따라 다른 소리를 낸다니 신기한 일이 아닐 수 없다. 벗꽃이 만개한 요즘 과연 식물들은 뭐라고 얘기하고 있는 걸까?

본문

식물들의 소리를 들어보세요. 텔아비브대학교의 연구팀이 세계 최초로 식물이 내는 소리를 녹음하여 분석했다. 클릭 소리(또는팝콘 터지는 소리)와 비슷한 소리를 사람이 말하는 정도의 세기로 발산한 것이다. 물론 이 소리는 사람이 들을 수 없는 초음파 영역이다. 연구자들에 따르면 식물은 스트레스를 받는 상황에서 식물 종 고유의 소리를 내며 스트레스의 종류에 따라 다른 소리를 낸 것으로 알려졌다. 사람의 귀에는 들리지 않겠지만 박쥐나 생쥐 그리고 곤충에게는 들리는 주파수대의소리를 낸다고 Cell지에 보고 하였다. 관련 youtube 영상은 아래와 같다. https://www.youtube.com/watch?v=hOWaXi0I2YE 이 연구를 주도한 Hadany박사에 따르면 “예전에도 식물들의 몸에 진동계를 설치하면 떨림이 생긴다는 것을 알고 있었습니다. 우리는 이런 떨림이 공기의떨림 즉 소리가 되어 조금 떨어진 거리에 전달되는지를 알아보고자 한 것입니다.” 이들은 식물들을 방음이 되는 상자에 넣고 초음파를 잡을 수 있는 특수 마이크를 10 cm정도 거리에 두고 기록하기 시작 했다. 어떤 식물들은 상자에 넣기전에 자르거나 물을 5일 이상 안 줘서 스트레스를 주었고 어떤 그룹은 전혀 스트레스를 주지 않았다(대조군). 실험결과 식물들(토마토, 담배, 보리, 옥수수,선인장 그리고 광대나물풀 등)은 생장 조건에 따라 주파수가 40-80 kHz 영역의 소리를 내는 것으로 기록되었다. 특히 대조군은 시간당 1회정도 밖에 소리를 내지 않지만 스트레스를 받으면 많게는 시간당 12번 정도까지 소리를 내었다. 사람은 어른의 경우 주파수가 최대 약 16 kHz까지 들을 수 있다. 따라서우린 식물들의 소리를 들을 수 없지만 숲 속의 다른 생물들 중에는 소리를 듣고 반응할 수 있는 영역이다. 이렇게 녹음된 소리들을 특별히 고안된 머신 러닝을 통해 분석한 결과 식물들 간에 서로 다른 소리를 낸다는 것을 알게 되었고 결국 그 소리를 이용하여어떤 식물인지 그리고 얼마나 스트레스를 받고 있는지 알아낼 수 있게 되었다. 일반적으로 온실에서 잘 키워도 소리를 내기 때문에 상당히 시끄럽다고 할수 있다. 온실에서 물은 안 주면 계속 소리의 크기가 증가하고 어느 수준 이상이 되면 소리가 없어지는 것으로 알려졌다. Hadany박사: “우리는 이 연구를 통해 아주 오래된 과학논쟁을 해결할 수 있었습니다.: 즉, 식물도 소리를 냅니다! 이 연구를 통해 우리 주위에는 식물들이내는 소리로 가득하고 그 소리에는 정보가 담겨 있음을 알게 되었죠.-예를 들면 수분부족이나 상처와 같은 정보죠. 아마도 이런 자연의 소리는 박쥐나 곤충, 그리고 설치류와 아마도 다른 식물들도 들을 수 있고 정보를 얻을 수 있을 것이라고 생각합니다. 우리 인간도 이런 정보를 이해하고 활용할 수 있을 것으로 생각됩니다.” 이 연구에 이어 식물들이 어떻게 소리를 내는지, 어떻게 곤충들이 이 소리에 반응하는지, 다른 식물들이 소리를 어떻게 듣는지 또 어떤 반응을 할지 등 다양한 호기심을 갖게된다. EurekAlert! News Release 30-MAR-2023, Global breakthrough: Plants emit sounds! Khait I, et al., Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative. Cell https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.03.009
유전현상은 일반적으로어떤 개체의 DNA 염기서열이 다음 세대에게 전달되는 것을 말합니다. 염기서열의 정보를 전달해주는 방식은 유전학 시간에 배웠듯 DNA의 반보존적 복제에 의해 똑 같은 염기서열의 DNA분자가 2개 만들어지고 각각이 딸세포에게 전달되면서 완성되는 거지요. 그런데 DNA 염기서열의 변화 없이도 유전자의 발현이 달라지고 노화 등의 변화가 생기게 되는데 이는 DNA의 형태가 달라지기 때문이라고 합니다. 이렇게 염기서열이 아닌 DNA의 구조변화를 후성유전학적 변화(또는 후생유전학적 변화, epigenetic change)라고 부르고 이런 구조가 다음 세대의 세포에게 전달되는 것을 후성유전( 또는 후생유전, epigenetics)이라고 부르는 거죠. 
그런데 이런 후성유전학적 변화는 세포에서 딸세포로 유전되는 현상은 잘 알려졌지만, 개체 수준에서 다음 세대로의 유전은 이루어지지 않는다고 알려져 있습니다. 왜냐하면 부모세대에서 일어난 DNA의 화학적, 구조적 변화는 정자나 난자세포가 만들어지는 과정에서 완전히 제거되기 때문입니다. 즉, 부모의 나이가 아무리 많아도 새로 태어난 아이는 언제나 똑 같은 젊음을 갖고 태어난다는 거죠. 그리고 부모가 얼마나 공부를 했는지, 얼마나 운동을 열심히했는지 등은 아이에게 유전되지 않는 다는 것도 설명이 됩니다. 그런데 지난 2월에 발표된 Cell지의 논문에 따르면 이런 생각이 다 옳지는 않을 수도 있다고 합니다. 과연 어떻게 이런걸 입증했을까요?

후성유전학에 대한 오해?

유전현상은 일반적으로어떤 개체의 DNA 염기서열이 다음 세대에게 전달되는 것을 말합니다. 염기서열의 정보를 전달해주는 방식은 유전학 시간에 배웠듯 DNA의 반보존적 복제에 의해 똑 같은 염기서열의 DNA분자가 2개 만들어지고 각각이 딸세포에게 전달되면서 완성되는 거지요. 그런데 DNA 염기서열의 변화 없이도 유전자의 발현이 달라지고 노화 등의 변화가 생기게 되는데 이는 DNA의 형태가 달라지기 때문이라고 합니다. 이렇게 염기서열이 아닌 DNA의 구조변화를 후성유전학적 변화(또는 후생유전학적 변화, epigenetic change)라고 부르고 이런 구조가 다음 세대의 세포에게 전달되는 것을 후성유전( 또는 후생유전, epigenetics)이라고 부르는 거죠. 그런데 이런 후성유전학적 변화는 세포에서 딸세포로 유전되는 현상은 잘 알려졌지만, 개체 수준에서 다음 세대로의 유전은 이루어지지 않는다고 알려져 있습니다. 왜냐하면 부모세대에서 일어난 DNA의 화학적, 구조적 변화는 정자나 난자세포가 만들어지는 과정에서 완전히 제거되기 때문입니다. 즉, 부모의 나이가 아무리 많아도 새로 태어난 아이는 언제나 똑 같은 젊음을 갖고 태어난다는 거죠. 그리고 부모가 얼마나 공부를 했는지, 얼마나 운동을 열심히했는지 등은 아이에게 유전되지 않는 다는 것도 설명이 됩니다. 그런데 지난 2월에 발표된 Cell지의 논문에 따르면 이런 생각이 다 옳지는 않을 수도 있다고 합니다. 과연 어떻게 이런걸 입증했을까요?

본문

후성유전학적 변형이 유전된다고? 후성유전학적(epigenetic) 변화 는 생명체의 일생 동안 유전자의 발현에 중대한 변화를 준다. 이런 변화는 생식세포의 유전체에서 완전히 씻겨져 다음 세대에게는 새로운 출발을 할 수 있게 해준다. 그런데 지난 2월 7일 Cell지에 발표된 논문에 따르면 이런 후성학적 변화가 제거 과정에도 불구하고 다음 세대에게 전달된다는 증거가 제시되고 있다. 일군의 과학자들에 따르면 실험실 생쥐의 4 세대동안 후성학적으로 변형된 유전자를 추적한 결과 각 세대에서재현되는 현상을 발견했다. 이 재현은 후성학적 변화의 제거 후에도 일어나는 것으로 보인다. 저자들은 이 것이 후성학적 변화가 유전되는 현상을 메틸화-편집 생쥐를 이용한 첫 증거라고 주장한다. 1990년대 까지도 유전 형질의 변화는 DNA염기서열의 변화에 의해서만 일어난다고 알려졌다. 하지만 이런 생각은 후성유전학이 나오면서 완전히 바뀌게 되었다. 즉, 환경이나 행동에 의해 염기서열의 변화 없이도 유전자의 발현이 조절될 수 있다는 것이 알려졌다. 가장 대표적인 변화가 DNA의 메틸화에의한 후성유전학적 변화이다. DNA에 결합시킨 메틸기를 통해 유전자 발현을 조절하고 결과적으로 표현형을 결정한다. 환경 후성유전학자인 Allard박사에 따르면 유전체의 약 70%가 메틸화되어 있으며 최근까지도 이런 메틸화 양상은 유전되지 않는 것으로 알려져왔다. 이런 믿음은 배아 생식세포는 실제로 배우체(정자와 난자)로 분화되기 전에 유전체에 붙은 메틸기의 약 90%가 제거된다는 사실에 근거한다. 이 과정은 배우체가 만들어지기 전까지 최소 2번에 걸쳐 일어나며 소위 “blank slate”(빈 석고판 즉, 흰 도화지) 이라고 부르는 상태로 만든다(Von Meyenn F and Reik W, 2015). Allard박사는 이 빈 석고판을 고려하면 환경적인 유산이 전달될 가능성은 없다고 설명한다. 아직도 많은 과학자들이 후성학적 유산은 일시적인 것이라고생각하지만 이들을 더 개선된 연구법이 필요했을 뿐이다. 이 논문의 공동 저자이자 Altos Lab의 중견 연구원인 Takahashi에 따르면 CRISPR Cas-9 편집법을 이용해 특정 메틸화 패턴을 인간 줄기세포의 유전체에 넣을 수 있었다. 이 새로운 방법으로 Takahashi와 동료들은 후성유전적 유산이 유전되는지를알아보기 시작했다. 이 새로운 DNA 메틸화 편집법을 이용해 생쥐의 대사과정에 관여하는 2가지 유전자(당뇨와 비만과 관계가 있음)를 침묵시켰다. 그리고 이렇게 만들어진생쥐 줄기세포를 대리모에 이식시켜 출산시키고 10개월 동안 관찰한 것이다. 그들이 기대했던 것처럼 유전자가 편집된 줄기세포에 의해 만들어진 생쥐들은 비만이었고 콜레스테롤치도 높았다. 또한 유전자 검사를 통해 변형된 대립유전자를 갖는 생쥐들을 골라 4세대까지 키워본 결과 4대손까지도 그 메틸패턴이 유지되었고 형질 또한 그대로 유지되었다. 이 결과는 후성유전학적 변형이 유전된다는 것을 보여주는 결과이다. 그런데 이 실험 결과에서 가장 흥미로운 사실은 이들 생쥐의 생식세포로부터 DNA를 분리하여 분석해봤을 때 이들은 메틸화가 제거되는 현상을 봤다는 점이다. 그러다가 성적으로 성숙되기 직전에 다시 원래의 메틸화 패턴이 다시 나타났다. 이는 놀랍게도 아직까지 알려지지 않은 방식으로 잊었던 메틸화 패턴을 기억할 수 있다는 것이다. 아직도 너무나 많은 질문들이 대답을 기다리고 있다. ‘빈 석고판(흰 도화지) 상태’란 무엇인가? 무엇이 후성유전학적 변화를 기억해서 재현할 수 있을까?이들이 사용한 실험법에는 문제가 없는가? 후성유전학적 변화가 어떻게 유전자 염기서열에 변화를 줄 수 있을까? 등 수많은 생물학자들이 질문을 던질것이라고 생각된다. 이 주제는 생물학도들에게 뿐 아니라 사회학이나 교육학적으로도 중요하다고 생각된다. 즉, 부모세대가 어떤 교육을 받고 어떤 생활을 했느냐가 자손에게 유전될 가능성을 보여주기 때문이다. 지난 10여년간 C. elegans를 이용한 후성유전학 연구는 small RNA에 의한 후성유전학적 변화가 정말 유전된다는 사실을 보고하였고 그 결과로 차세대의 유전자 발현조절이 가능하다는 것을 보여 주었다(Toker et al., 2022). 과연 라마르크의 용불용설이 제기된 이후 지속적으로 제기되었던 “어떤 개체가 경험한 환경과 적응의 결과가 과연 다음 세대에게도 전해질 것인가?”라는 질문에 대한 해답을 구할 수 있을까? 이어진 연구들이 기대된다. Irving K, 2023, Mice pass epigenetic tweak to pups. TheScientist Feb 17, 2023. Von Meyenn F and Reik W, 2015, Forget the parents: Epigenetic reprogramming in human germ cells. Cell 181, June 4, 2015. http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.05.039 Toker et al., 2022, Developmental Cell 57, 298–309, https://doi.org/10.1016/j.devcel.2022.01.005
대학교 입시문제에 "박테리아에는 히스톤 단백질이 없다."가 정답이었던 시절이 있죠. 이젠 이와 관련된 문제를 쉽게 출제하기는 어려워질 것 같군요. 뉴클레오솜 구조를 만드는 히스톤은 단백질 복합체의 형태로 안쪽에 위치하고 바깥쪽에 DNA가 감긴 형태를 지닌 뉴클레오솜은 DNA를 응축시키고 근처의 유전자발현을 조절하는 등 유전자의 구조와 기능에 중요한 역할을 합니다.  얼마나 중요한지 수억년의 독립적인 진화과정을 거친 동물과 식물 그리고 균류간에도 아미노산 서열이 60-90%가 같을 정도지요. 원핵생물에서는 고균(archaea)에서 히스톤-유사 단백질이 발견되었지만 박테리아에서는 없는 것이 정설이 었습니다. 그런데 여기에 의문을 품은 사람들이 꽤 많았죠.  해당과정에 필요한 효소들이나 세포내골격 단백질 까지 중요한 역할을 하는 단백질들의 유전자는 모든 생물의 공동조상(Last Universal common ancestor of all organism)에도 있을 것으로 여겨지는데 히스톤은 진핵생물과 일부 고세균에서만 나타난다는 것이 이해가 안된다는 거죠. 최근에 이와 관련된는 실험 결과들이 발표되었고 이를 소개하는 글을 번역해서 소개합니다. 이것이 정확하게 히스톤 단백질이냐 하는 것에 대해서는 각자 견해가 다를 수 있겠습니다만 어쨋든 히스톤과 유사한 구조를 갖는 DNA결합 단백질 들이 박테리아에도 있다는 것이 밝혀진 것 같군요.

박테리아에도 히스톤단백질이 있다?

대학교 입시문제에 "박테리아에는 히스톤 단백질이 없다."가 정답이었던 시절이 있죠. 이젠 이와 관련된 문제를 쉽게 출제하기는 어려워질 것 같군요. 뉴클레오솜 구조를 만드는 히스톤은 단백질 복합체의 형태로 안쪽에 위치하고 바깥쪽에 DNA가 감긴 형태를 지닌 뉴클레오솜은 DNA를 응축시키고 근처의 유전자발현을 조절하는 등 유전자의 구조와 기능에 중요한 역할을 합니다. 얼마나 중요한지 수억년의 독립적인 진화과정을 거친 동물과 식물 그리고 균류간에도 아미노산 서열이 60-90%가 같을 정도지요. 원핵생물에서는 고균(archaea)에서 히스톤-유사 단백질이 발견되었지만 박테리아에서는 없는 것이 정설이 었습니다. 그런데 여기에 의문을 품은 사람들이 꽤 많았죠. 해당과정에 필요한 효소들이나 세포내골격 단백질 까지 중요한 역할을 하는 단백질들의 유전자는 모든 생물의 공동조상(Last Universal common ancestor of all organism)에도 있을 것으로 여겨지는데 히스톤은 진핵생물과 일부 고세균에서만 나타난다는 것이 이해가 안된다는 거죠. 최근에 이와 관련된는 실험 결과들이 발표되었고 이를 소개하는 글을 번역해서 소개합니다. 이것이 정확하게 히스톤 단백질이냐 하는 것에 대해서는 각자 견해가 다를 수 있겠습니다만 어쨋든 히스톤과 유사한 구조를 갖는 DNA결합 단백질 들이 박테리아에도 있다는 것이 밝혀진 것 같군요.

본문

최근에 발표된 논문에 따르면 박테리아에도 히스톤단백질과 같은 역할을 하는 단백질 들이 다수 있는 것으로 밝혀졌다. 히스톤은 진핵세포의 핵 DNA에 결합하여 염색체의 형태를 변화시키고 유전자의 발현을 조절하는 등 진핵생물에겐 아주 중요한 단백질이다. 그런데 이렇게 중요한 단백질이 원핵생물에도 있을까? 일반적으로 원핵생물에는 진핵생물의 것과는 독립적으로 진화한 DNA-folding histone-like protein이 있을 뿐 히스톤 단백질의 유전자는 없는 것으로 알려져 있다. 런던 의과학 연구소(LMS)의 진화 생물학자인 Tobias Warneck박사는 박테리아의 DNA 응축 단백질은 완전히 다른 입체구조를 갖는다고 한다. 하지만 박테리아들이 고균(archae)이나 진핵생물들과 유전자 들을 교환(수평적 유전자 운반, horizontal gene transfer) 했을 것으로 미루어 박테리아에 히스톤 유전자가 전혀 없다는 것을 의아하게 생각하는 사람들이 많았다. 지난 1월에 Warnecke와 동료들이 bioRxiv에 투고한 논문에 따르면 박테리아에서 히스톤과 비견 될만한 수 백 개의 유전자들을 발견했다고 한다. Warnecke박사 팀이 원핵생물에서 히스톤을 처음 보고한 것은 물론 아니다. 하지만 이전의 경우 진핵생물의 히스톤을 이용하여 유사한 단백질을 조사한 결과 원핵생물에서는 불과 몇 개의 후보 단백질만이 보고 되었다. 이에 대해 Wernecke는 원핵생물의 히스톤이 짧기 때문일 것이라고 생각하였고 박사후 연구원인 Antonio Hocher박사의 도움으로 고균(archae)의 짧은 히스톤을 이용하여 18,000종의 박테리아 유전체를 조사하였다. 이 전략으로 그는 400개가 넘는 단백질들이 히스톤의 특이한 3D구조를 갖는다는 것을 발견하였고 이는 박테리아 종들에서도 히스톤이 널리 퍼져있음을 말해준다. 여러 후보들 중에 Bdellovirbio bacteriovorus라는 다른 박테리아를 먹고사는 박테리아 종의 히스톤을 집중해서 연구하였다. 이 연구자들이 이 종을 선택한 이유는 생주기(Life cycle)에 따라 크기가 변하기 때문에 DNA의 응축과 풀림이 잘 조절될 것으로 보였기 때문이다. 작은 포식세포(B. bacteriovorus)가 사냥감 박테리아를 공격하여 들어간 후 크기가 커지고 다시 작은 포식세포들로 나뉘는 과정이 반복되어 일어난다. 이 연구팀은 B. bacteriovorus의 단백질 중에 Bd0055라고 부르는 히스톤구조의 단백질을 발견했고 이 단백질이 DNA의 포장을 돕는지 알아보았다. 이 단백질을 DNA와 섞으면 DNA가 전기영동 겔의 구멍을 잘 통과하지 못하는 것으로 미루어, 이 단백질은 DNA와 결합한다는 것을 알 수 있었다. 이 유전자를 제거하면 B. bacteriovorus는 밖은 물론 다른 세포안에서도 살지 못했고 이는 이들이 살아가는데 이 단백질이 절대적으로 필요하다는 것을 말한다. 그런데 이 Bd0055의 구조를 DNA와 결합시키는 컴퓨터 시뮬레이션을 보면 일반적으로 우리가 알고 있는 히스톤과는 전혀 다른 방법으로 DNA에 결합하는 것을 알 수 있다. 즉, 일반적으로 알려진 히스톤 단백질들은 안쪽에 실타래처럼 존재하고 DNA가 이 구조물 바깥을 감싸고 있는 모습이다. 그런데 Bd0055는 DNA 이중나선 구조에 결합하여 도리어 직선형을 유지하도록 만든다. 이는 DNA가 응축되는 것을 방해하는 것이고 분자생물학자인 Nasey Carey박사에 따르면 이런 구조가 박테리오파지나 사냥감 박테리아의 공격에 방어 역할을 하는게 아닌지 알아봐야 한다고 했다. 또한 네덜란드의 Dame박사는 이런 세포밖에서의 연구는 세포안에서도 일어나는지 확인해봐야 한다고 언급했다. B. bacteriovorus는 먼 친척 뻘인 Leptospira interrogans와 유전자를 교환한다고 알려져 있고 여기서도 비슷한 히스톤 단백질을 발견하였다. Laursen박사는 다음번 연구는 이 히스톤을 연구할 계획이라고 한다. 그의 지도 교수인 Karoline Luger박사는 Leptospira의 히스톤은 Bd0055와 유사한 점을 많이 가지고 있어서 “같은 특이한 방법으로 결합할지” 또 “차이점이 있을지” 궁금해하고 있다고 하였다. “우리는 그 결과를 놓고 맥주 내기를 했어요.” “어쨌든 박테리아의 히스톤들이 DNA와 결합하는 방식에 공통점이 있는지 알아볼 수 있을 것으로 기대합니다.”라고 Luger박사가 말했다. The Scientist, Feb 14, 2023, Kamal Nahas, Bacteria Have Histones After All: Study.
동물들과 마찬가지로 식물들도 후생유전학적 변화를 거친다는 것은 오래전부터 잘 알려진 사실입니다. 그런데 동물들과는 달리 식물은 DNA의 메틸화 정보(메틸롬, methylome)를 다음 세대에게 그대로 전달해 줄 수 있다는 것이 알려졌고, 자연스럽게 후생유전이 이루어질 가능성이 제시되었습니다. 동물의 경우는 DNA 메틸화를 비롯한 후생유전학적 변화가 생식세포로 전달되지 못하도록 적어도 3 단계의 차단과정이 있고 DNA에 붙은 메틸기를 떨어 뜨리는 세탁과정만도 2회 이상 일어나는 것으로 알려져 있습니다.  이 과정을 통해 부모세대가 경험하거나 획득한 형질을 나타내는 유전자 발현 양상은 깨끗이 씻기고 새로운 삶을 시작하게 만드는 것이죠. 그런데 식물은 이런 과정이 없으니 자연히 획득 형질이 다음 세대로 넘어갈 가능성이 생긴거죠. 만약 이게 사실이라면 생물학 교과서를 다시써야할 판입니다.  아니 그 정도가 아니라 나의 행동과 경험이 다음 세대에게 넘어간다니 삶에 대한 태도도 바뀌어야 할 정도입니다.  조금 긴 글이긴 하지만 식물이 들려주는 후생유전학의 비밀을 잘 소개한 글이니 끝 까지 잘 읽어보시기 바랍니다.

식물 후생유전의 비밀

동물들과 마찬가지로 식물들도 후생유전학적 변화를 거친다는 것은 오래전부터 잘 알려진 사실입니다. 그런데 동물들과는 달리 식물은 DNA의 메틸화 정보(메틸롬, methylome)를 다음 세대에게 그대로 전달해 줄 수 있다는 것이 알려졌고, 자연스럽게 후생유전이 이루어질 가능성이 제시되었습니다. 동물의 경우는 DNA 메틸화를 비롯한 후생유전학적 변화가 생식세포로 전달되지 못하도록 적어도 3 단계의 차단과정이 있고 DNA에 붙은 메틸기를 떨어 뜨리는 세탁과정만도 2회 이상 일어나는 것으로 알려져 있습니다. 이 과정을 통해 부모세대가 경험하거나 획득한 형질을 나타내는 유전자 발현 양상은 깨끗이 씻기고 새로운 삶을 시작하게 만드는 것이죠. 그런데 식물은 이런 과정이 없으니 자연히 획득 형질이 다음 세대로 넘어갈 가능성이 생긴거죠. 만약 이게 사실이라면 생물학 교과서를 다시써야할 판입니다. 아니 그 정도가 아니라 나의 행동과 경험이 다음 세대에게 넘어간다니 삶에 대한 태도도 바뀌어야 할 정도입니다. 조금 긴 글이긴 하지만 식물이 들려주는 후생유전학의 비밀을 잘 소개한 글이니 끝 까지 잘 읽어보시기 바랍니다.

본문

식물들의 후생유전 동물들과는 달리 식물은 DNA의 메틸화 정보(메틸롬, methylome)를 다음 세대에게 그대로 전달해 줄 수 있다. 그 결과로 유전자 침묵(gene silencing)이 일어나 여러 형질 변이들이 감춰질 수 있다. 말하자면 후생유전학적으로 침묵하게된 유전자는 그 다음 세대에도 침묵하게 된다는 것이다. 로버트 마티엔슨(Robert Martienssen)박사는 1980년 중반 미국의 버클리대학에서 박사후 연구원으로 일할 때 옥수수의 잎색을 창백하게 만드는 돌연변이를 발견했다. 이 돌연변이를 가진 세포는 엽록소를 갖지 못했고 따라서 광합성도 하지 못했다. 발아시켜도 저장되있던 영양분으로 몇 주 살지 못하고 하얗게 변했다. 마티엔슨 박사는 “이 돌연변이는 아주 치명적이었죠. 그런데 시간이 지나면서 회복되었어요. 그것도 아주 놀라운 방향으로요.”라고 회고했다. 돌연변이 중 일부는 잎에 건강한-초록색 줄무늬가 생기면서 조금 더 오래 살 수 있게 된 것이다. “그런 잎이 하나 둘 늘어나면서 점점 초록 빛이 강해졌고 결국 돌연변이를 이겨내고 꽃까지 피웠습니다.” 마티엔슨 박사의 설명이다. 마티엔슨 박사 팀은 이 돌연변이가 Mu 전이인자 (transposon: 유전체내 옮겨다니는 유전물질로 들어간 위치에 따라 특정 유전자들을 켜거나 끄는 역할을 한다)에 의해 일어난다는 사실을 알고 있었다. 또한 연구자들은 이 transposon이 활성화될 때는 메틸화가 없거나 아주 적을 때이고, 메틸화가 일어나면 불활성화 된다는 것을 알고 있었다. 마티엔슨박사는 잎을 창백하게 만드는 transposon과 유전자를 밝히고 서던블롯을 통해 이 transposon이 비교적 덜 메틸화 되었다는 것을 밝혔다. 반면 메틸화가 많이 일어난 경우는 진초록으로 바뀌는 것으로 나타나 “DNA 메틸화가 그 돌연변이의 형질을 막는다.”는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 줄무늬 잎은 마티엔슨박사로 하여금 다양한 색을 가진 옥수수알갱이로 유명한 바바라 매클린톡(Barbara McClintock, 1983년 노벨생리의학상 수상)박사를 생각나게 했다. “그녀는 이미 1950년대에 transposon들이 유전자 근처에 자리잡으면 유전자의 발현에 영향을 미치고 이는 다음 세대에도 나타나는 가역적인 영향 임을 알아냈죠.” 마티엔슨박사는 말을 이었다. “그녀는 이를 순환 현상(phenomenon cycling)이라고 불렀어요. 정말 잘 표현한 것입니다.” DNA 메틸화는 transposon의 활성을 조절하는 일반적인 방법이고 마티엔슨 박사의 연구가 이를 뒷받침 해준다. 1989년도에 마티엔슨박사는 Cold Spring Harbor Laboratory(CSHL)에 자리를 잡았고 매클린톡박사도 당시에 CSHL에서 활발하게 연구를 하고 있었다. 그녀는 마티엔슨박사를 그녀의 농장으로 데리고 나가 식물의 유전체에서 전이인자들이 어떻게 조절되는지에 관해 설명하곤 했다. 두 과학자 모두 어떻게 세대를 달리하며 transposon이 꺼졌다 켜졌다 하는지에 관심이 많았다. 마티엔슨은 “그녀는 DNA 메틸화로 설명하는 걸 제일 선호했죠.”라고 회상했다. 메틸화가 transposon의 활성을 조절한다는 증거가 축적되면서, 두 식물학자들은 확신을 갖게 된다. 하지만 이 발견은 아직 연관성을 추측하는 정도였다. 당시에는 DNA 메틸화를 연구할 수 있는 실험법이 정착되어 있지 않았고 DNA메틸화가 유전자의 발현을 막는다는 것을 보여줄 수 있는 방법이 없었다. 이후 마티엔슨은 애기장대풀(Arabodopsis thaliana, 아라비돕시스)로 연구대상을 바꾸어 돌연변이 실험을 하기 시작했다. 1993년, 매크린톡 박사가 서거한지 한해가 지났을 때 마티엔슨박사 팀은 DNA 메틸화에 문제가 생긴 진핵생물 돌연변이를 처음으로 발견하였다. 이 식물은 Decrease in DNA methylation 1 (DDM1)이라고 이름 붙인 돌연변이로 염색체구조를 조절하는 SWI2/SNF2-related protein 유전자에 돌연변이가 생긴 것으로 transposon과 관계된 유전체 부위에 메틸화가 현저하게 적은 특징을 갖는다. 얼마 뒤 이들은 DDM1 돌연변이 식물에 transposon의 활성이 증가한 것을 발견하였다. “Transposon의 활성과 위치가 완전히 미친 것 같았어요.”라고 마티엔슨은 설명했다. 매클린톡박사의 가설을 입증하게 된 것이다. 마티엔슨과 노벨상 수상자 매크린톡의 짧은 조우가 있은 지 20년이 지나서야 식물의 후생유전학적 연구가 폭발하기 시작했다. 식물의 DNA 메틸화는 CG서열에서만 일어나는 동물과 달리 CHG(H는 G가 아닌 염기)와 CHH 염기서열에서도 일어난다. 또한 이런 메틸화를 유전시키는 방법 또한 다양하고 뒤섞여있다. 식물의 유전체는 대개 2개 이상의 염색체 쌍을 갖으며 여기저기 transposon이 들어간 형태여서 이들 DNA를 침묵시키는 방법이 매우 잘 발달된 것 같다. 마티엔슨 박사는 “이들 transposon을 침묵시키기 위해 가능한한 메틸화시키는 것이 매우 중요하다. 이런 미친 유전체 때문에 식물들이 유전자를 침묵시키고 안정하게 만들기 위한 모든 수단을 갖고 있는 것이다.”리고 설명했다. 식물에서의 후생유전학 연구는 동물에도 영향을 주었다. 예를 들면 Vincent Colot(프랑스 과학연구 센터의 IBENS소속)과 동료들에 의해 RNA 간섭에 의해 DNA메틸화가 일어나는 기작을 처음 발견한 것이 Arabidopsis에서 였다. 이전에는 RNA간섭은 주로 RNA의 분해를 유도하여 일어난다고 알려져 있었다. RNA-유도에 의한 DNA메틸화는 생쥐의 특정 유전자에서 알려졌으며 초파리나 선충에서(그리고 아마도 생쥐에서도; 마티엔슨박사의 주장) 히스톤의 메틸화에도 관여한다는 것을 발견하였다. 하지만 동물과 식물 간에는 메틸화가 유전되는 과정에서 중요한 차이가 있었다. 즉, 동물의 경우는 생식세포를 만드는 동안 2번의 재프로그램과정이 있어 DNA와 히스톤에 붙은 메틸기를 대부분 제거한다. 그런데 식물은 후생유전학적 변화를 그대로 다음 세대에게 넘겨준다. 식물에서는 이와 같이 염기서열이 아니라 메틸화에 의해 암호화된 유전자들을 후생대립유전자(epialleles)라 부른다. 이들은 개화기나 과실을 맺는 시기와 같은 가벼운 표현형을 조절한다. “대부분의 차이는 유전자 변이에 의해 결정된다. 하지만 그것이 다가 아니고 어쩌면 후생유전학적 변이가 그만큼 중요할 수도 있다.”고 Colot박사는 주장헀다. 이 후생대립유전자가 환경에 의해 적응하도록 변화할 수 있는지는 논란의 여지가 많다. 대부분의학자들은 어디에도 “라마르크설”에 따른 진화에 대한 어떤 믿을 만한 증거도 발견하지 못했다고 말한다. 하지만 획득형질이 다음 세대에게 영향을 줄 수 있는 메틸화 양상을 바꿀 수 있다는 신호들이 나타나고 있고, 최소한, 메틸화 정보에 대한 전사가 잘 못 일어나면 유전정보에 돌연변이와 같은 새로운 변이를 만들어 낼 수 있다. “후생유전학적 변이가 훨씬 많은 변이들을 가능하게 해주고, 어떤 경우는 후생유전학적으로만 나 올 수 있는 변이도 있다.” 라고 마티엔슨박사는 말했다. 식물 후생유전암호의 해독 식물 유전자의 메틸화: 아라비돕시스에서 CG메틸화는 유전체와 transposon을 구성하는 반복서열에서 주로 발견된다. CHH 메틸화는 transposable element(이동성 인자)근처에 CG메틸화가 있는 곳에서만 볼 수 있다. 하지만 몇몇 보고에 따르면 침묵화된(silenced)유전자의 CHH에서도 발견된다. CHG메틸화는 여러 CHH메틸기와 같이 존재한다. 후생유전학을 획기적으로 발전시킨 실험 기술을 하나만 꼽으라면 DNA염기서열을 분석하기 전에 메틸기가 없는 시토신을 우라실로 만드는 다이설화이트 염기분석(disulfite sequencing)이라고 할 수 있다. 이 방법은 식물에서 일반적인 메틸화 양상뿐 아니라 CG, CHH, CHG 각각에 대한 정보를 제공해 준다. 2000년대 중반에 몇몇 연구팀에서 아라비돕시스 전체 유전체의 메틸롬(methylome: 메틸화양상)을 발표하였다. 마티엔슨박사팀은 2013년에 옥수수의 메틸화 패턴을 보고하였고 이후 몇몇 다른 그룹들이 데이터를 첨가하였다. 이 일련의 연구들에 의해 밝혀진 사실은 식물들은 각 개체마다 메틸화 패턴이 다르다는 것이다. 그런데 발생과정이나 성체가 된 후에도 후생유전학적 변화를 각 세포의 종류에 따른 유전자 발현 조절의 한 기작으로 사용하는 동물들과는 달리 식물은 그들 조직 전체에서 비슷한 메틸화 패턴을 보여준다. “대부분의 경우 식물내 다른 종류의 세포들을 보면 메틸화 패턴이 아주 비슷하다는 것이다.” 미네소타대학 유전학자인 Nathan Springer박사의 말이다. 식물의 조직간에 DNA메틸화 패턴이 유지되고 있다는 것은 식물의 메틸화가 “식물의 거대한 유전체에서는 문제가 될 수 있는 transposon을 조절하는 수단 중 하나”라는 생각을 뒷받침 한다고 화이트헤드 연구소의 역학유전학자인 Mary Gehring은 주장했다. 옥수수의 유전체를 예로 들면 90%가 이동성 인자에 의해 만들어졌다고 보고 있다. 그리고 실제로 모든 메틸화부위가 이동성 인자 근처에서 발견된다. 마티엔슨에 따르면 “Transposon은 메틸화에 의해 조절되며 이는 논란의 여지가 없다.”고 한다. “그들의 미친 유전체 때문에, 식물들은 유전체를 안정적으로 침묵시키는 가능한 모든 수단을 가지고 있다.” – Cold Spring Harbor Laboratory-Rob Martienssen 유전자에 메틸화는 훨씬 적은 편이고, 이때는 주로 CG에 붙는다. 그런데 다른 식물종을 연구하면서 유전자의 후생유전학적 조절이 나타나기 시작했다. 마티엔슨은 아라비돕시스와 옥수수와는 달리 DDM1돌연변이에 의해 치사 표현형이 압도적으로 나타나는 종들에서 그랬다. 2016년 조지아대학교의 Bob Schmitz박사와 그 연구팀은 메틸롬 지도를 완성한 식물종을 크게 늘려놓았다. 배추속(brassica family)에 속하는(아라비돕시스도 여기에 속함) 식물들은 유전자의 CG 메틸화가 크게 감소해 있거나 아예 없었고; 풀들은 유전자에 메틸기가 붙어 있었는데 주로 CHH의 형태에서 발견된다. “몇몇 식물들만 보아도 모델 식물들을 통해 알려진 법칙들이 다른 식물종에서 항상 적용되는 건 아님을 알 수 있다.”고 Schmita박사는 말했다. 메틸화의 유전 CSHL의 마티엔슨박사 연구실에서 연구년을 보낸 Colot박사는 프랑스로 돌아가 자신의 실험실에서 아라비돕시스의 후생유전학적 재조합 근친 품종들(epiRILs)을 만드는 계획을 세웠다.-즉, 유전체는 똑 같으나 후생유전학적으로 다른 품종들. 이들은 유전체 내 서로 다른 부위의 메틸화가 갖는 기능을 이해하는데 굉장히 유용한 도구가 될 수 있다. 또한 어떻게 식물의 메틸롬이 다음 세대로 전해지는지 알게해줄 것이라고 생각했다. Colot박사는 같은 유전적 배경을 가진 두 조상 식물에서 시작하였다. 그 중 하나는 야생형 DDM1유전자를 갖고 다른 하나는 동형접합 돌연변이를 갖고 있어 DNA 메틸화가 현저하게 줄어든 것이다. 예전의 연구들에서 보여준 것 같이 부모의 메틸롬은 자손에게 유전되어 하나는 정상, 하나는 저메틸화된 염색체를 갖는 자손이 나왔다. Colot는 이런 이형접합인 암컷 식물을 골라 야생형 수컷과 교배시켰다. 이렇게 얻은 자손 중에 DDM1이 모두 양성인 동협접합만을 골라 키웠다. 이렇게 얻은 자손들을 자가교배시켜 500가지의 품종을 구분하여 얻었고 이들은 DDM1은 정상 동형접합이고 메틸화양상만 다른 것들이다. 8-9세대로 내려간 뒤에도 1/3가량의 메틸화 서열은 “부모의 메틸화된 상태가 멘델의 법칙에 따라 분리되는 것을 볼 수 있었다. 즉, 이들은 진짜 후생유전을 보여준다.”고 Colot는 말했다. 나머지 2/3은 몇 세대 후 야생형의 메틸화 패턴을 재취득하게 되었다. 메틸화 패턴이 유지된다는 것은 연구자들이 포유동물에서 봤던 것, 즉 CG표식이 배우체 형성과정에서 2회에 걸쳐 완전히 씻겨 나가는 재프로그래밍이 있는 것과는 정반대의 현상이다. 식물에서는 일단 메틸화에 변화가 생기면 남아 있게 된다는 것이고 이런 후생유전학적 변화는 여러 형질을 조절하는 것으로 알려지고 있다. 병충해에 대한 저항성, biomass(생산성), 개화시기 등이다. “식물에는 동물보다 많은 후생유전 대립인자들이 존재한다; 아마도 재프로그래밍이 없기 때문일 것이다. 재미있는 일이 계속되는 군요.”라고 Gehring이 말했다. 어떻게 환경이 후생유전학 변화에 영향을 줄까? 예를 들면 특정 병충해에 노출되었던, 즉 특정 병원균에 노출되었던 식물은 생존력이 높아지는지 그리고 이것이 결국 라마르크식 진화로 발전할 수 있을지에 대한 질문에 대해 대부분의 연구자들은 “이에 대한 증거는 약하다.”고 한다. “사람들 생각에 식물은 환경에 반응할 수 있고 환경은 그들의 메틸롬에 영향을 미칠 수 있다. 그리고 이를 유전시킬 수도 있지 않을까? 하고 생각하지만 이에 대한 좋은 데이터는 그리 많지 않다.”고 Gehring은 말한다. “ 다른 학자들도 이런 진화적 역동성의 가능성은 희박하다고 동의한다. “환경이 식물 유전체의 DNA 메틸화에 영향을 준다는 증거는 거의 없다.” Schmitz에 따르면 “이런 연구들의 많은 경우 충분히 이루어지지 않은 부분이 있다. 흔히 1 세대에서는 (후생유전학적 변화를) 볼 수 있지만 2, 3 세대로 넘어가면 다시 원래의 모습으로 돌아오곤 했다. ” 2016년에 발표된 논문은 단기간에 실험결과를 볼 수 있는 방법을 적용하였다. University of Warwick의 식물학자인 Jose Gutierrez-Marcos와 그 동료들은 아라비돕시스의 3개 품종을 정상 또는 2급 염분토양에서 키웠고 이들의 메틸롬을 비교하여 계속되는 염분 스트레스가 지속되었을 때 후생유전학적인 변화가 생기는지 알아보았다. “우리는 각 개체 보다는 전체 군집을 봤죠.” Gutierrez-Marcos는 말을 이었다. “우리는 그저 실험 중에 나타나는 자발적인 현상이 아니고 그 보다 훨씬 강한 효과를 기대했습니다.” 연구자들은 적어도 2세대 동안 안전하게 유지되는 DNA 메틸화의 변화를 관찰했다. 비록 이 변화가 염분토양에서 키운 첫 세대에서부터 관찰되긴 했지만 형질의 변화는 2 세대가 될 때까지 잘 나타나지 않다가. 이후 더높은 접종률과 생존률 그리고 더많은 잎을 냈다. “기본적으로는 그들의 연구는 별 다른 것이 없었죠.” Gehring은 스스로 말했듯이 아직은 세대를 이어간다는 것에 대해서는 회의적이라고 말했다. “하지만 그들은 몇 개의 예를 보여주었다-즉, 스트레스에 의해 유도되었고 유전되었다는 점에서 흥미로운 점이라고 생각한다.” 이어진 5 세대에 걸친 실험에서 이러한 후생유전학적 변화는 더 확대되지는 않았다. 이는 이런 후생유전학적 적응에는 한계가 있다는 점을 보여주는 것이다. 그리고 2 세대 이후 각 실험에서 얻은 집단을 정상 흙에서 키울 경우 어떤 메틸화부위는 다시 원래의 메틸롬으로 반전되는 것을 볼 수 있었다. “하지만 어떤 부위는 아주 4 세대가 지나도록 안정하게 유지되기도 하였다.”고 Gutierrez-Marcos는 주장했다. 만약 환경에 의한 메틸롬의 적응이 일어난다면 이는 일반적인 현상은 아닐 것이다. 마티엔슨은 “개인적으로는 이 현상은 있긴 하겠지만 흔한 일은 아닐 것이고 일반적인 법칙은 아니라고 생각합니다.”라고 말했다. 이 말은 환경이 진화적인 변화를 일으키는데 꼭 후생유전학적 변화가 일어나야 하는 것은 아니라는 것이다. “모두 아다시피 어차피 후생유전학적 변이들은 존재합니다. 그런 변이들이 존재한다면 굳이 환경이 어떤 변화를 주도할 필요는 없겠지요.”라고 덧붙인다. Schmitz에 따르면 이런 변이는 사용자의 실수로 생길 수 있다, “식물은 메틸화를 유지하기 위해 엄청난 노력을 하고 있고 실제로 잘 유지하지만 실수가 있을 수 있죠. 이런 실수들은 상속 가능한 새로운 특성이 되는 겁니다.”라고 주장하였다. 재프로그램밍의 예외 사실 식물들이 후생유전학적 재프로그래밍을 거치지 않는다는 것은 완벽한 사실은 아니다. 아라비돕시스의 생식과정에서 정자의 CG 메틸화는 지워지지 않는다. 하지만 CG와 함께 transposon이나 유전자에서 발견되는 CHH형태의 메틸화는 약 90%가 지워진다. 2009년 마티엔슨은 아라비돕시스의 정자에 메틸롬을 비교한 적이 있다. 이들의 화분에는 3개의 반수체 세포가 들어 있다: 2개의 정자와 하나의 영양세포(vegetative cell)가 있다. 영양세포는 화분관의 생성을 도와 정자가 암컷 배우체의 난자로 이동하도록 도와주는 역할을 한다. 영양세포의 핵에서 일부 CG 메틸기가 제거되긴 하지만 이들은 배아를 형성하는 데는 관여하지 않는다. “이와는 반대로 놀랍게도-정자에서는 CHH메틸기를 잃죠.”라고 마티엔슨은 말했다. 수정이 일어난 이후 RNA-guided 메틸화 과정을 통해 배아의 CHH 메틸화가 회복된다. “정말 흥미롭게도 다시 small RNA에 의해 안내되어 회복됩니다.” 이는 부모 모두가 배아의 메틸화에 기여한다는 것을 의미합니다.” 당연하게도 옥수수를 수 세대에 걸쳐 보면, 서로 다른 메틸롬을 갖는 부모의 자손들은 부모 중 적어도 하나가 갖는 메틸화부위에 메틸화가 일어난 것을 볼 수 있다. “실제로 수 천개의 부위가 부 또는 모에서 유래된 small RNA에 의해 바뀐것을 발견할 수 있습니다.”라고 마티엔슨박사는 말했다. 영양세포의 CG메틸화의 재프로그래밍 또한 흥미롭다. 이들은 결과적으로 transposon의 활성을 높이기 때문에 식물의 건강에는 해로울 것이다. 하지만 마티엔슨박사에 따르면 여기에는 이점도 있다고 주장한다. 즉, 영양세포의 핵내 침묵하던 transposon의 방출은 정자의 small RNA 합성을 증가시킬 수 있다. Small RNA는 화분관을 따라 이동할 수 있으며 결국 배아의 transposon서열의 메틸화에 기여할 수 있다는 것을 알 수 있다. “만약 이들이 미래가 없는 쓸모없는 세포 종류라면 왜 transposon을 발현하지 못하게 하겠어요, 이들의 transposon은 small RNA로 가공될 수 있고 다른 세포들의 transposon을 침묵시키는데 힘을 보텔 수 있겠죠.”라고 Springer는 가설을 세웠다. “이건 마치 면역과 같다고 생각하면 됩니다.” 아직 아무도 식물의 난자에서 후생유전학적 변화를 연구하지는 못했지만, 중심세포에서 CG 재프로그래밍의 증거들이 있다. 어떤 식물에서는 비생식조직에서 후생유전학적 재프로그래밍과 같은 과정을 거친다고 알려져 있다. 예를 들면 2015년 토마토의 숙성에 DNA 메틸화가 중요하다는 것이 밝혀지기도 했고, 2016년에는 콩과식물의 공생 박테리아가 사는 뿌리 혹을 발생시키는데도 비슷한 현상을 발견하였다. 즉, 이들 조직에서만 발견되는 특이적 탈메틸화효소가 DNA메틸기를 제거한 것이다. “식물은 DNA 메틸화를 아주 잘 유지합니다. 따라서 이런 현상을 발견하면 짜릿하죠. 너무나 드문 일이니까요.”라고 Schmitz는 말했다. 농사에 적용 많은 작물들이 단일 품종을 키운다. 이론적으로는 농부들이 가장 좋은 작물-크기, 당도, 오일생산량 등-.을 골라 키울 수 있다. 이런 클론 재배는 원하는 유전자 서열을 지켜나가는 데는 확실하지만 후생유전학적 특징을 보존하는 것은 아니다. 수정에 의해 유발된 정자의 CHH 메틸화 표지의 대체는 일어날 수 없다. 아프리카의 야자수는 약 10 – 20%정도가 기름을 생산하지 못한다. 2015년에 연구자들은 기름을 만들지 못하는 야자수들은 transposon의 활성화가 일어나 기름 생산에 중요한 유전자가 파괴되었기 떄문 임을 알게 되었다. “CHH메틸화는 제대로 대체되지 못했고 때로는 잘못된 부위로 간거죠. 그래서 망친 거에요.” 이 연구에 참여했던 마티엔슨의 말이다. 메틸화의 상실은 작물식물에게 유리한 새로운 형질을 나타내기도 한다. 옛부터 작물식물을 야생식물과 교잡하여 병충해내성을 키우고 다시 원하는 특징을 가진 작물과 교접시켜온 농부들에겐 이런 후생유전학적 침묵에 가려진 형질들이 무엇인지 걱정이었다. “만약 메틸화를 바꿀 수 있다면 상속가능한 형질을 만들 수 있다는 것이다.” Schmitz는 말을 이었다. 식물 유전체에서 침묵시킨 유전자는 “다양함의 미지의 원천”이다. Schmitz의 목표는 침묵을 풀었을 때 발현되는 유전자들 중에 유용한 형질을 나타내는 것이 있는지 알아보는 것이다. “아마도 이런 방식으로 접근했을 때 보기 흉한 식물들이 나올 수 있겠죠.” 그는 말을 이었다. “하지만 흥미로운 형질을 끌어내는 것이 하나만 있어도 됩니다.” 맥클린톡 박사는 식물의 DNA 메틸화에 대한 이해가 진행되어, 더 강하고 영양가 있는 작물을 생산하기 위해 후생유전체를 건드리는 경지에 이른 것을 보면 뿌듯해 했을 것이다. 만약 그녀가 살아 있다면 같은 연구를 위해 기꺼이 손에 흙을 묻혔을 것이다. “그녀는 놀랍게도 나이 90에도 현대 분자생물학을 편하게 생각했어요.”라고 마티엔슨 박사는 회고했다. 그리고 결과적으로 그녀는 이 분야의 개척시대에 기여한 셈이 되었다. “분명한건, 당시에는 이를 후생유전이라고 부르지는 않았어요.” “하지만 우린 그게 무언지 알았던 겁니다.”라고 마티엔슨 박사는 얘기했다. 이 글에서는 본격적으로 다루지 않았지만 이글이 출판된지 5년이 지난 현시점에서 후생유전학적 변화가 유전된다는 증거들이 쌓이기 시작하고 있다. 이 글에서 암시하였듯이 후생유전학적 변화가 유전체의 안정성에도 영향을 미친다는 것은 진화에 영향을 줄 가능성을 시사한다. 이런 연구들이 종합적으로 편견 없이 진행되기 위해서는 후생유전학적 연구가 동,식물 뿐 아니라 균류, 원생생물, 그리고 원핵생물에서도 연구되어야 할 것이다. 이글은 ‘The Scientist, Plant’s Epigenetic Secrets. Feb. 1 2017’을 번역한 글입니다. 그밖에 아래의 논문과 관련 서적들을 참고하여 조금 가필하였습니다. Slotkin RK et al., 2008, Epigenetic reprogramming and small RNA silencing of transposable elements in pollen. Cell 136;461-472.
진화는 어떤 목표가 없이 그때 그때 그 상황에서 유용한 유전자나 형질을 가진 개체가 도태되지 않고 살아남게 된다는 것이 기본적인 원칙이라고 할 수  있습니다. 그런데 여기 소개한 이기적인 염색체, 좀더 정확히 말하자면 이기적인 센트로미어(selfish-centromere)는 암컷 생식세포가 감수분열할 때 특정 염색체가 극체(polar body)가 아니라 난자(egg)로 들어가도록 만들어 진화의 우위에 서게 한다는 것이 밝혀졌습니다.  정말 진화에 특화된 DNA염기서열이라고 부를 만하죠. 별다른 유용한 유전자를 갖고 있는 것도 아닌데 단지 특정 염색체가 난자에 들어갈 확률을 높인다는 이유로 진화에서 살아남게 된 것입니다. 진화의 오랜 역사를 보면 별 희한한 방법으로 세상에 살아남는 경우가 많은데 그 꼼수의 끝판왕이라고 할 수 있죠. 그런데 생물은 이들이 너무 번창하지 못하게 막는 방법까지 터득하고 있다고 하니 더욱 놀라울 따름입니다.  우리 인간을 비롯한 생물들이 얼마나 빡빡하게 살아가는지 알 수 있는 대목이기도 합니다. 그리고 한가지 더하자면 이 연구도 주로 식물에서 이루어 졌는데 생물학을 다양한 방면에서 연구하는 것이 얼마나 중요한 지 다시 알려주는 글이라고 생각합니다.  조금 어려운 부분들은 과감히 축약하였고 혹시 너무 축약하다보니 도리어 이해가 어려운 부분이 생길 수도 있을 것 같습니다. 질문을 주시거나 원논문을 읽어보시기 바랍니다.

이기적 염색체가 들려주는 진화의 비밀

진화는 어떤 목표가 없이 그때 그때 그 상황에서 유용한 유전자나 형질을 가진 개체가 도태되지 않고 살아남게 된다는 것이 기본적인 원칙이라고 할 수 있습니다. 그런데 여기 소개한 이기적인 염색체, 좀더 정확히 말하자면 이기적인 센트로미어(selfish-centromere)는 암컷 생식세포가 감수분열할 때 특정 염색체가 극체(polar body)가 아니라 난자(egg)로 들어가도록 만들어 진화의 우위에 서게 한다는 것이 밝혀졌습니다. 정말 진화에 특화된 DNA염기서열이라고 부를 만하죠. 별다른 유용한 유전자를 갖고 있는 것도 아닌데 단지 특정 염색체가 난자에 들어갈 확률을 높인다는 이유로 진화에서 살아남게 된 것입니다. 진화의 오랜 역사를 보면 별 희한한 방법으로 세상에 살아남는 경우가 많은데 그 꼼수의 끝판왕이라고 할 수 있죠. 그런데 생물은 이들이 너무 번창하지 못하게 막는 방법까지 터득하고 있다고 하니 더욱 놀라울 따름입니다. 우리 인간을 비롯한 생물들이 얼마나 빡빡하게 살아가는지 알 수 있는 대목이기도 합니다. 그리고 한가지 더하자면 이 연구도 주로 식물에서 이루어 졌는데 생물학을 다양한 방면에서 연구하는 것이 얼마나 중요한 지 다시 알려주는 글이라고 생각합니다. 조금 어려운 부분들은 과감히 축약하였고 혹시 너무 축약하다보니 도리어 이해가 어려운 부분이 생길 수도 있을 것 같습니다. 질문을 주시거나 원논문을 읽어보시기 바랍니다.

본문

이기적 센트로미어(selfish-Centromere) * 센트로미어(selfish centromere)는 염색체 부위로 방추사와 동원체가 결합되는 부위를 말한다. 원래는 중심체라고 번역했는데 이후 centrosome도 중심체라고 번역이 되면서 혼란스럽게 되어 방추체 등으로 불리우기도 한다. 이 글에서는 그냥 센트로미어라고 쓰기로 한다. ​포르투갈 령 마데이라섬(Islands of madeira)에는 다른 염색체 수를 가진 6 종의 생쥐들이 살고 있다. 생쥐의 염색체 수는 n=20으로 알려져 있다. 그런데 이 지역에 사는 생쥐들의 염색체수는 이보다 적은 것으로 나타났다. 이런 염색체 수의 감소는 아마도 이 섬에 생쥐가 들어온 1,000년 전부터 일어난 사건이라고 짐작된다. 이런 갑작스러운 염색체 수의 감소는 소위 Robertsonian(Rb) fusion(로보트손 융합)이라는 염색체 융합 현상때문에 발생한다. 이는 서로 다른 염색체들이 융합되면서 이런 일이 발생한 것으로 주로 acrocentric chromosome(첨단부동원체형 염색체, 방추체가 결합하는 센트로미어가 한쪽으로 치우쳐 있어 긴 팔과 짧은 팔의 비율이 크게 다른 염색체)에서 일어난다. 염색체 수가 다르다는 것은 생식적으로 격리된다는 얘기고 따라서 종분화의 중요한 단계가 된다. 그런데 마데이라제도의 생쥐집단에 이렇게 많은 종분화가 발생한 이유는 Rb fusion이외에 또 다른 요인이 있을 것으로 생각된다: Rb fusion을 거친 염색체가 암컷의 감수분열시 극체가 아니라 난자로 더 잘 들어가게 된다는 것이다. 감수분열시 상동염색체는 똑 같은 비율로 4개의 딸세포로 나뉘어 들어가는 것으로 알고 있다. 이는 멘델의 "분리의 법칙"으로 F2세대에서 우성과 열성이 3:1의 비율로 나타나는 것에 대한 기본적인 전제 조건이다. 그런데 과학자들은 이미 수십년전부터 이기적 유전자가 이 메델의 법칙을 어기고 다음 세대로 넘어갈 확률을 높이는 경우가 있다는 사실을 알게 되었다(표 참고). 즉, 난자가 만들어지는 과정에서 나머지 3개의 딸세포는 극체가 되어 사라져 버리기 때문에 어떤 이유에서건 난자로 들어갈 확률이 높은 염색체는 다음 세대로 이어져갈 확률이 높은 것이다. ​ 표: Rb fusion에 의해 난자로 해당 돌연변이 염색체가 난자로 이동할 확률이 80%로 높아지면 자손의 핵형에 따른 비율이 아래와 같이 나타난다는 것을 보여주는 퍼넷스퀘어 그림. ​W/W : W/Rb : Rb/Rb = 1: 5 : 4 Rb fusion은 현미경으로 관찰이 가능하기 때문에 비교적 연구하기가 용이하다. 센트로미어의 크기에 따라 분리의 법칙에 어긋나는 현상이 나타나는 것을 발견할 수 있었다. 즉, 센트로미어가 클수록 난자로 가는 경우가 많았던 것이다. 세트로미어의 DNA서열은 심한 반복서열이다. 따라서 크기가 큰 센트로미어는 반복서열 satellite DNA가 많고 센트로미어에 결합하는 단백질도 많아진다. 따라서 새로 형성된 Rb fusion 염색체는 센트로미어의 크기가 크고 본래의 위치에 움직이지 않고 있을 가능성이 높아진다. 약 50여년전 Michael J.D. White가 논문에 밝혔듯이 “염색체 재조합 중에 강력한 분리기능으로 종분화에 중요한 역할을 하는 아주 드문 경우가 바로 암컷 감수분열의 분리과정에서 유리한 고지를 갖게 하는 것이다.” 라고 추측했다. Rb fusion이 바로 그런 재조합으로 센트로미어 확장을 통해 분리에서 유리하게 작용한다. 마데이라섬과 다른 지역에서의 염색체 경쟁이 어떻게 빠른 핵형 변화와 (서로 다른 fusion set의 융합이 누적된) 두 집단에서 생식적 격리가 일어나는지 잘 보여주고 있다. 불평등 분리에 관한 초기 힌트들 유전학자인 Marcus Rhoades는 옥수수의 비정상 염색체 10 (Ab10)의 관찰을 근거로 감수분열 조정(meiotic drive)이라는 개념을 1942년에 처음 제시하였다. Ab10은 “knob”이라고 부르는 잉여의 DNA조각을 포함하고 있다. Rhoades는 Ab10이 암컷 감수분열에서 알에 들어가는 경향이 있음을 보여주었다. Ab10 염색체는 1차 감수분열 후기에 더 극(polar side)쪽으로 이동하는 경향을 보여주는데, 암컷에서 감수분열이 일어날 때 가장 밑에 있는 세포가 난자(egg)를 형성하기 때문에 이런 현상이 생긴다는 것이 알려지게 되었다(Dawe et al., 2018). Rb fusion의 경우가 Ab10의 경우와 일치하는 것은 아니지만 센트로미어의 확대에 의해 염색체의 위치가 왜곡될 가능성이 있음을 확인 할 수 있는 예이다. 센트로미어는 사실 유전자로서의 기능은 별로 없지만 그에 딸린 염색체의 생존에는 절대적인 역할을 한다. 센트로미어가 있어야 딸세포로 이동하기 때문이다. 아무리 중요한 유전자도 센트로미어와 연결되지 못했다면 없어지고 말 것이다. 따라서 센트로미어는 매우 중요하고 모든 생물에서 보존되어 있을 것이라고 생각할 수 있다. 하지만 사실은 전혀 반대다. 많은 방추체 단백질들이 진핵생물의 진화과정에서 많이 변했고 이때 나타나는 아미노산 서열의 변화는 positive evolution(형질이 더 적합한 것이면 더 잘 살아남는 진화)의 양상을 보여준다. 센트로미어 자체의 염기서열도 가까운 종간에도 변이가 아주 심하다. 잘 보존된 기능을 공유하지만 이렇게 변이가 심하다는 건 수수께끼라고 할 수 있다. 이런 수수께끼를 풀기 위해 학자들은 센트로미어 자체가 감수분열 조정에 역할을 담당한다고 가정하였다. 센트로미어어 조정 가설(centromere drive hypothesis)에 따르면 센트로미어 DNA 염기서열이 (마치 옥수수의 knob과 같이) 이기적 유전인자로 작용하여 염색체분리 자체를 조정하여 다음 세대로의 전달을 도와준 결과라는 것이다. 센트로미어 조정이 사실이라면 적응력에 손해를 미칠 수 있다. 예를 들면 분리가 제대로 일어나지 않아 배우체의 염색체 이상을 유발할 수도 있다. 이런 대가는 적응력의 손실을 만회하고자 센트로미어 단백질의 진화에 영향을 압력을 주게 된다. 그러나 반복서열의 비암호화 DNA인 센트로미어는 끊임없이 변화하여 센트로미어에 결합하는 단백질들을 암호화하고 있는 유전체에 지속적으로 적응 진화하게 압력을 준다. 이런 지속적인 유전자의 문제는 면역관련 유전자들이 끊임없이 변하는 병원균으로부터 오는 압박에 적응 진화하는 것과 비슷하다. 그 결과로 가까운 유연종 사이에도 센트로미어나 이에 결합하는 단백질들이 아주 다양하게 나타난다. 이런 이유로 조정 가설(derive hypothesis)에 따르면 어떤 집단에서 특정 센트로미어에 적응한 단백질들은 다른 집단의 센트로미어에는 제대로 작동하지 못하고 결국 잡종이 생식적 격리와 종분화로 이어지지 못하게 된다. 이는 핵형의 차이가 만들어낸 격리와 유사하다고 볼 수 있다. 센트로미어 조정 가설이 처음 제시된 것은 monkeyflower(Mimulus spp. 파리풀과)에서 발견되어2008년 발표된 논문이다. 이 식물에서 센트로미어의 확대 현상을 볼 수 있었고 이 경우 다음 세대에 분리 현상이 심하게는 98%까지 왜곡되어 일어난 것이다. 이 식물의 확대된 센트로미어 염색체가 동형집합일 경우 씨와 화분의 생산이 줄어드는 대가를 치룬다. 이어진 연구에서 다음 세대로의 전달율은 유전적 배경에 따라 많이 다르게 나타나며, 특히 H3 히스톤의 변이가 이 조정의 억제자 역할을 하는 것으로 보고 있다. 이 변이(CENP-A 또는 CenH3)는 센트로미어 DNA의 응축에 관여하고 동원체의 기초가 되는 것으로 알려져 있다. 이런 관찰은 센트로미어 조정 가설과 잘 일치하는 것으로 생물학자들에겐 몇 가지 중요한 질문을 환기 시킨다. 어떻게 이기적 센트로미어가 분리현상을 왜곡시키는가? 어떻게 센트로미어 단백질들이 유전자 분리가 불균형하게 일어나는 것을 보상하는가? 그리고 이런 현상들이 집단이나 종의 진화에 갖는 의미는 무엇인가? 등이다. 불균등 분리가 일어나는 이유 센트로미어 조정 가설에서는 암컷 감수분열의 비대칭성이 중요한 역할을 한다. 감수분열을 거쳐 3개의 극체(polar body)와 하나의 난자를 만들어 내며, 극체는 사라지지만 난자로 들어간 염색체는 다음 세대로 이어지기 때문이다. 어떻게 센트로미어가 난자로 갈지 극체로 갈지에 영향을 주는지는 아직 분명치 않은 것 같다. 세포막 근처에서 일어나는 신호전달과 튜불린 변형 효소들이 원인이라는 주장이 있다. 즉 방추사의 형성속도와 튜불린 변형형태도 세포막 근처와 세포 안쪽의 방추사 간에 차이가 있다. 세포분열시 처음에는 염색분체가 모두 같은 극의 방추사에 연결될 수도 있다. 그 후 방추사가 무너졌다 생기기를 반복하면서 각 염색분체가 반대편의 방추사로 연결되고 결국 서로 반대 방향으로 끌려가는 것이 세포분열과정이다. 그런데 이기적 센트로미어는 이런 과정에서 방추사가 잘 무너지도록 만드는 경향을 볼 수 있었고 결과적으로 세포막과는 반대 방향으로 연결될 가능성이 높아진다는 것이다(Akera et al., 2019). 그 결과로 난자에 포함될 가능성이 높아지면서 불균등 분리가 일어난다는 것이다. 센트로미어 조정에 대항하기 센트로미어 조정에 따른 다양성 감소의 문제가 어떻게 해결되는지는 아직 분명치 않다. 하지만 분명한 것은 염색체 분리과정에 영향을 주어 자손에게 잘전달되도록 만들어진 돌연변이가 있다면 현재보다 더 많이 퍼져있어야 할 것이다. 하지만 여러 종에서 이런 이기적 센트로미어의 빈도가 높지 않은 것을 보면, 자연계는 그리 호락호락하지 않다는 것을 알 수 있다. 즉, 유용한 유전자도 아닌 것이 염색체의 분리과정에 영향을 주어 진화의 우위에 서도록 남겨두지는 않았음을 알 수 있다. 그 기작은 자연선택일 수도 있고 히스톤단백질의 변형에 의한 능동적인 제거일 수도 있을 것이다. 다만 이런 연구과정을 통해 자연이 얼마나 많은 사건과 이에 대처하는 능력이 잠재되어 있는지를 알 수 있을 것 같다. The Scientist, Probing “selfish” centromere unreveils an evolutionary arms race. Michael Lampson Ph.D. Apr 3, 2023. Akera et al., 2019, Cell 178, 1132–1144: https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.07.001 Dawe et al., 2018, Cell 173, 839–850: https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.03.009
bottom of page