계통발생층서법으로 동물 계통의 주요 적응에 대한 유전체적 역사를 밝힘

계통발생층서법으로 동물 계통의 주요 적응에 대한 유전체적 역사를 밝힘

초록

대진화적 경향 연구 방법: 화석 분석, 비교 형태학, 진화 발생(evo-devo) 방법 등이 있다.

다양한 계통의 유전체가 사용 가능해짐에 따라 계통발생층서법이라는 새로운 접근 방법이 사용가능 해졌다.

초파리의 배아 발현 및 계통발생학적 근거를 바탕으로 유전자들을 계통발생학적 기원으로 나누어 진화적으로 중요한 적응 사건들을 밝혀내었다.

서론

동물 유전체 서열을 비교 분석하였더니 유의미한 비율의 유전자들이 오직 특정 계통에서만 발생하였다.

이것은 이들 유전자가 해당 계통으로 진화 중 생겼다고 가정할 수 있다

(lineage specific adaptation에 따라)

새로운 유전자들의 기원은 중단되는 방식으로 일어난다. 즉 새로운 유전자들은 진화적 경로에 안정화 되기 전까지 초기에 매우 빠르게 진화한다는 것이다. 만약에 이러한 유전자들이 특정 진화 경로에 유지되어 있으면 현존하는 생물들의 유전자 기능과 이들의 계통발생학적 출현에 대한 평가를 바탕으로 이들 유전자의 진화적 기원을 추론할 수 있을 것이다. 이것이 계통발생층서법의 원리이다. 현재 유전자 진화의 전 동물 통계적 평가에 대한 최고의 데이터는 Drosophila에서 사용가능 하다 그러나 이 방법은 데이터만 충분하다면 다른 생물에서도 수행될 수 있다.

초파리의 계통발생층서 지도

계통 발생을 선택하는 것은 유전자들의 계통 발생학적 기원을 결정하는데 근본적으로 중요하다.

이 연구에서 사용한 계통수는 초파리로 이끄는 계통에서 일어난 매우 중요한 사건을 찾는 시도, 계통학적 관계의 신뢰성과 서열 비교분석을 위한 유전체 데이터의 유효성을 타협한 것이다.

13,382 초파리 유전자들을 계통수의 마디 사이에 할당 할 수 있도록 NR database와 EST database 에다가 BLAST를 수행하였다. 모든 유전자들은 창시 유전자의 출현에 따라 12개의 그룹으로 나뉘어 분포되었다. 이 12개의 그룹은 유전체적 계통발생층(Phylostratum)이라고 한다 (그림 1; 표 1). 이 유전자들의 30%는 배발생중 발현 패턴이 whole mount in situ hybridization으로 인해 알려져 있고, 2105개가 전사 조절을 보여준다 (표 1). 이들의 발현패턴은 초파리의 배아 발달에 형태 개체 발생영역을 묘사하는 용어들로 정리되었다. 이 연구는 외배엽, 내배엽, 중배엽과 관련하여 이 세 개의 카테고리를 계통발생층서 지도에 나타내었다 (그림 2a).

(그림 1)

만약에 유전자들의 계통발생적 기원이 발현 영역의 분포에 영향을 주지 않았다면, 계통발생층의 유전자들에 의해 생성된 발현 영역의 빈도는 대략적으로 초파리 전체 샘플의 빈도(65% 외배엽, 15% 내배엽, 20% 중배엽)로 기대될 것이다(그림 2a). 그러나 대부분의 계통발생층들 안에서 기대치에서 통계적으로 유의미하게 벋어나는 것들을 찾았다. 이러한 변동을 설명하는 가장 간략한 시나리오는 이 연구에서 고려한 진화 기간이 다른 적응성 또는 굴절적응성 경향들에 의해 특징 지어졌다는 것이다. 이것은 각 계통발생층에서 점진적으로 분석된 현존하는 자손들이 창시 유전자들의 조상 기능들을 반영할 수 있기 때문에 밝혀낼 수 있었다. 따라서 초파리 배발생이 고도로 분화되었지만, 이러한 조직의 기원과 관련하여 중요한 신호를 유지하는 것처럼 보인다.

(그림 2)

외배엽 편향

변동 빈도의 패턴은 외배엽이 내배엽, 중배엽에 비해 반대의 경향을 보인다. 하나의 유전자가 진핵생물 분화후 생긴 창시 유전자와 합쳐질 때,  이 유전자가 외배엽 구조에서 발현될 기회가 더 커졌다. 반면에 세포 생물 분화 이전에 이미 존재하던 창시 유전자와 합쳐질 때는 중배엽과 내배엽 발현과 관계 있었다. 이러한 패턴은 창시 유전자들에 의해 생긴 적응이 대부분의 동물 진화의 역사에있어 외배엽에 편향되어 있다고 할 수 있다.

외배엽 유전자들이 신경시스템에서 발현 되는 유전자들로 변하면, 신경 시스템 유전자들에서 추가적인 패턴을 찾을 수 있다(그림 2b). 첫 번재 피크는 진핵생물의 가장 마지막 공통 조상인 계통발생층 2에서 볼 수 있고, 두 번째는 진정후생동물(eumetazoa)의 출현인 계통발생층 5에서 볼 수 있다. 첫 번째 피크의 존재는 신경 계통에 연관된 유전자들이 복잡한 신경 시스템이 진화하기 이전에 이미 사용가능 했다는 것을 말해 준다. 이것은 기대하지 않았던 결과로 추가적인 분석이 필요하다. 반면 두 번째 피크는 기대했던 것으로 좌우 대칭 동물이 출현하기 이전, 신경 시스템이 정교화 되기 전 앞섰다.   흥미롭게도 계통발생층 7과 10에는 충분하지 못한 신경 시스템 유전자들이 있었다. 이것은 육지로 나오기 전 수생환경에서의 절지 동물의 진화를 나타내는 이 단계에서 주요 유전체적 새로운 기능이 생겨나지 않았다는 것을 나타낸다.

마지막 공통 좌우대칭 동물 조상

계통발생층 6에는 특별한 상황이 존재한다. 이것은 좌우대칭 동물의 마지막 공통 조상의 시대이다.여기에는 모든 3개의 배엽에서 유전자들의 발현 특징에 대한 분포가 편향되어 있지 않다 (그림 2). 이 발견과 이 기간 중의 늘어난 창시 유전자의 비율(~8%)은 진후생동물 조상으로 부터 좌우대칭 동물 공통조상의 조직 단계로 이동할 때 상당한 양의 유전자 혁신과 배엽의 균형 잡힌 행동이 필요하다는 것을 시사한다. 그러므로 캄브라아기 폭발 동안 유전자 모듈의 재배치가 일어나기 전 어떤 다른 방아쇠가 이용 가능한 유전자들 채웠을 수도 있다.

또한, 분자 시계에 의한 연대 측정은 신중하게 다루어야 하지만, 이웃 마디를 대상으로 한 추정 한 시간을 사용하여 계통발생층 6에서의 창시 유전자의 고정 비율을 증가시켰다 (그림 3). 복제된 유전자의 적절한 공급과 적절한 선택 조건은 창시 유전자들의 높은 고정 비율에 대한 전제 조건이었을 것이다. 단일 유전자 복제 뿐만 아니라 완전한 유전체 복제 는 선택압이 작용하기 위한 충분한 원료를 제공 할 수 있는 반면 강력하고 다양한 선택압은 불안정한 신생대 환경(1000 ~ 542 백만 년 전)에서 쉽게 상상할 수 있다. 흥미롭게도 계통발생층 6에서 창시 유전자와 합쳐진 파리 유전자는 오래된 유전자들 보다 기능적으로 특징이 적다 (그림 4). 이것은 캄브리아기의 폭발과 원생 동물조상의 출현에 대한 이해를 돕는다. 곤충의 출현과 기능 연구도 이러한 유전자에 초점을 맞춰야 한다.

(그림 3)

(그림 4)

배엽의 기원

흩어져 있는 창시 유전자들의 기원은 형태학적 혁신의 출현이 현존하는 유전 요소들의 재배합 뿐만 아니라 유전자 네트워크에서 특정 역할을 하는 창시 유전자의 형성과도 관련 있음을 시사한다. 배엽의 기원은 오랫동안 지속되어왔던 문제이기 때문에, 계통발생층서 지도에서 피크 또는 발현 특징 빈도의 갑작스런 증가로  발견할 수 있는 배엽의 기원의 특징이 될만한 것을 찾는 것은 매우 흥미롭다. 실제로, 배엽의 기원과 관련된 독특하고 중요한 변동들을 찾아냈으며, 흥미롭게도 이들이 외배엽-내배엽-중배엽 순으로 배치되어 있다 (그림 2a). 특히 계통발생층3의 외배엽은 그래프상 고원에 빨리 도달한다. 내배엽은 계통발생층 4에 피크가 있다. 마지막으로 중배엽은 계통발생층 6과 7에 퍼져있는 특이적인 피크가 있다 (그림 2a).

최근 연구에 의하면 동물과 곰팡이의 다세포는 단세포 후편모생물(Opisthokont) 조상들로부터 독립적으로 진화했다. 그러나 단세포 후편모생물에서 동물의 다세포성에 필수적으로 필요한 단백질의 존재, 이들의 임의적인 다세포적 행동, 특정 계통의 기생 및 초기에 갈라져 나온 그룹의 다세포성은 이러한 견해에 도전을 한다. 실제로 기대보다 많은 숫자의 단백질이 후편모생물 공통조상으로 합쳐진 외배엽에서 중요한 역할을 하고 이것은 후편모생물 공통조상이 어떤식의 다세포성을 보여주었다는 것을 의미한다. 유사하게 뚜렷한 내배엽 피크는 스펀지의 최근 발달 연구와 일치하며, 이것은 낭배형성(gastrulation)의 초기 기원을 시사한다.

중배엽의 기원에 대한 더 나은 이해를 위해, 유즐동물문(Ctenophora)의 보다 안정적인 계통발생학적 위치와 유전체 서열이 요구된다. 또한 자포동물(cnidarian)의 유전체 데이터가 분석에 포함되다면, 계통발생층 6의 계통발생층서적 중배엽 피크는 중배엽이 진짜 좌우대칭의 혁신이라는 아이디어를 지원할 것이다. 이 연구는 일부 중배엽 유전자들이 중배엽이 나타나기 전부터 존재했다는 것을 보여주었고, 계통발생층서법이 통계적 접근방법으로 각각 유전자의 기능적 변화에 강력하다는 것을 보여주었다.

끝 맺는 말

계통발생층서 지도에서 통계적으로 유의미한 유전자들의 출현에 대한 발견은 적어도 이러한 유전자들의 일부가 그들의 진화 역사에서 신호를 유지한다는 가정을 입증한다. 그러므로 창시 유전자 형성의 원리와 단백질군의 중단된 출현에 대 한 기본 원칙의 일반성을 전제로 하여, 유전체적 계통발생층서법은 다른 계통에서도 대진화 과정을 밝혀낼 수 있다. 여기에 제시된 분석과 해석들은 예비적으로 필요하고, 그 이유는 오직 초파리 데이터와 제한적인 계통발생분석에만 의존했기 때문이다. 따라서 현재 연구 결과는 이러한 접급법이 계통에서 대진화 과정을 밝혀내고 어떻게 유전체 및 다른 많은 양의 데이터가 이용가능한지 보여준 사례이다. 유전체학적 계통발생층서법의 원리는 모든 현존하는 종의 유전체가 진화의 일부분을 보유한다는 것을 의미한다. 따라서 더 많은 양의 유전체가 빠르게 축적됨에 따라 이러한 그림을 더 크게 볼 수 있을 것이다.

Rerference:

Domazet-Lošo et al., 2007. A phylostratigraphy approach to uncover the genomic history of major adaptations in metazoan lineages

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168952507002995?via%3Dihub#fig2