과학자들이 인간의 꼬리 손실과 일종의 선천적 결함 사이의 잠재적인 유전적 연관성을 발견했다.

지난 2월 28일 '네이처(Nature)' 저널에 발표된 새로운 연구에서 미국 뉴욕대 연구팀은 우리 조상들의 꼬리를 잃게 만든 독특한 DNA 돌연변이를 확인했다. 이 돌연변이는 꼬리 달린 동물의 꼬리 길이에 관여하는 것으로 알려진 TBXT 유전자에 위치한다.

새로운 연구 결과에 따르면 인간과 유인원의 조상은 약 2500만 년 전에 발생한 유전적 돌연변이로 인해 꼬리를 잃었을 가능성이 있다. 이 돌연변이는 TBXT 유전자 내에 발생했으며, 이 유전자는 꼬리 달린 동물의 꼬리 길이에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

과학전문 매체 라이브사이언스에 따르면 연구팀은 꼬리뼈 부상을 당한 후 꼬리의 기원에 관심을 갖게 된 연구 책임 저자인 보 샤(Bo Xia) 박사가 이끄는 연구팀이 TBXT 유전자를 조사했다. 연구팀은 꼬리 없는 원숭이와 꼬리 있는 유인원을 비교하여 유전자 차이를 분석했다. 또한 쥐에게 인간과 유사한 돌연변이를 유도하여 꼬리 상실 현상과의 연관성을 실험적으로 검증했다.

이번 발견은 뉴욕대학교 대학원생이었으며 현재 브로드 연구소의 수석 연구원으로 재직 중인 제1 연구 저자 보 샤가 꼬리뼈를 다친 후 이 구조의 기원에 관심을 갖게 되면서 시작됐다.

뉴욕대 랭곤 헬스(NYU Langone Health)의 응용 생물정보학 연구소의 과학 책임자이자 이 연구의 선임 저자 이타이 야나이는 "보 샤는 적어도 수천 명의 사람들이 이전에 보았을 법한 것을 보았다. 하지만 그는 다른 것을 보았기 때문에 정말 천재다"라고 말했다.

꼬리의 유전학

인간과 많은 영장류 사이의 가장 분명한 차이점 중 하나는 꼬리가 없다는 것이다. 꼬리가 사라진 것은 약 2500만년 전이다. 침팬지와 우리의 공통 조상을 비교하자면 약 600만년 전이다. 우리는 꼬리를 가진 이 조상의 진화적 흔적으로 미골(꼬리뼈)을 아직도 갖고 있다.

꼬리 손실은 우리 유인원 조상에게서 더 직립한 등의 진화와 동시에 발생했으며, 결과적으로 몸을 지탱하기 위해 네 다리 중 두 개만 사용하는 경향이 있었다. 이러한 진화적 변화가 왜 결합되어 있는지 추측할 수는 있지만, 꼬리 손실이 어떻게 진화했는지(왜가 아니라) 근본적인 유전적 변화가 무엇인지에 대한 문제는 다루지 않았다.

최근 연구에서는 흥미로운 유전 메커니즘을 확인했다. 많은 유전자가 결합하여 포유류의 꼬리 발달을 가능하게 한다. 연구팀은 꼬리가 없는 영장류의 꼬리 결정 유전자인 TBXT에 '점핑 유전자'(jumping gene, 게놈의 새로운 영역으로 이동할 수 있는 DNA 서열)가 하나 더 있다는 사실을 확인했다.

점핑 유전자와 '암흑 물질'

연구팀은 또한 동일한 영장류가 TBXT 유전자 내에 내장된 DNA에서 약간 떨어진 곳에 더 오래되었지만 유사한 점핑 유전자를 가지고 있음을 확인했다.

3일(현지시간) 과학, 기술, 의학 분야의 뉴스를 다루는 영어 웹사이트 Phys.org에 따르면 우리 DNA의 훨씬 더 많은 부분이 단백질을 지정하는 서열(유전자의 고전적 기능)보다 그러한 점핑 유전자의 잔해이므로 점핑 유전자를 얻는 것은 특별한 것이 아니다.

수백만 년에 걸쳐 DNA의 변화는 동물의 진화를 가능하게 한다. 일부 변화는 DNA의 뒤틀린 사다리에서 단 하나의 사다리만 포함하지만 다른 변화는 더 복잡하다.

라이브 사이언스에 따르면 소위 알루 요소(Alu elements)라고 하는 반복적인 DNA 서열은 DNA의 분자 사촌인 RNA 비트를 생성하여 다시 DNA로 변환한 다음 게놈에 무작위로 삽입할 수 있다. 이러한 '전치 가능한 요소' 또는 점핑 유전자는 삽입 시 유전자의 기능을 방해하거나 강화할 수 있다. 이러한 특정 유형의 점핑 유전자는 영장류에만 존재하며 수백만 년 동안 유전적 다양성을 주도해 왔다.

연구팀은 유인원에는 존재하지만 원숭이에는 없는 두 개의 알루 요소를 TBXT 유전자에서 발견했다. 이 요소는 단백질을 코딩하는 유전자 부분인 엑손(exon)이 아니라 인트론(intron)에 있다. 인트론은 엑손 옆에 있는 DNA 서열로, 과거에는 아무런 기능이 없는 것으로 여겨져 게놈의 '암흑 물질'로 불려왔다. 인트론은 RNA 분자가 단백질로 전환되기 전에 서열에서 제거되거나 '스플라이스(spliced)'된다.

그러나 이 경우 세포가 TBXT 유전자를 사용하여 RNA를 생성할 때, Alu 서열의 반복적인 특성으로 인해 서로 결합하게 된다. 이 복잡한 구조는 여전히 더 큰 RNA 분자에서 잘려나가지만 전체 엑손을 가져가므로 결과 단백질의 최종 코드와 구조가 변경된다.

NYU 랭곤 헬스 시스템 유전학 연구소의 소장이자 이 연구의 선임 저자인 제프 보케(Jef Boeke)는 "우리는 꼬리 길이나 형태와 관련된 다른 유전자에 대한 다른 많은 분석을 수행했다. 물론 차이점은 있지만, 이것은 마치 번개와도 같았다"라고 말했다.

보케는 라이브사이언스에 "그리고 그것은 모든 유인원에서 100% 보존되고 모든 원숭이에서 100% 없는 비코딩 DNA[인트론]였다"고 말했다.

연구팀은 인간 세포에서 동일한 알루 서열이 TBXT 유전자에 나타나고 동일한 엑손이 제거되는 것을 확인했다. 또한 관련 RNA 분자를 다양한 방식으로 절단하여 동일한 유전자에서 여러 단백질을 생성 할 수 있음을 발견했다. 연구팀은 이에 비해 생쥐는 한 가지 버전의 단백질만 만들기 때문에 두 가지 버전이 모두 있으면 꼬리가 형성되는 것을 방지하는 것으로 보인다고 지적했다.

동일한 유전자에서 서로 다른 단백질을 만드는 이러한 방식을 '대체 스플라이싱(alternative splicing)'이라고 하며, 이는 인간의 생리가 매우 복잡한 이유 중 하나다. 그러나 알루 요소가 대체 스플라이싱을 유발하는 것으로 밝혀진 것은 이번이 처음이다.

연구에 참여하지 않은 로스앤젤레스 캘리포니아 대학교의 생태 및 진화 생물학, 인간 유전학 교수인 커크 로뮐러(Kirk Lohmueller)는 "이와 같은 돌연변이는 종종 진화에서 제한적인 결과를 초래하는 것으로 여겨져 왔다. 이번 연구에서 저자들은 이러한 돌연변이가 우리 종에 지대한 영향을 미쳤다는 것을 보여준다"라고 말했다.

이족 보행과 선천적 결함

연구팀은 동일한 점핑 유전자를 쥐에 삽입하는 실험을 통해 쥐가 꼬리를 잃는다는 사실을 발견했다.

특히 진화 생물학자들은 꼬리가 없어진 덕분에 인간이 이족보행을 할 수 있었다는 가설을 세우고 있다. 야나이는 라이브 사이언스와의 인터뷰에서 "우리는 어떻게 이런 일이 일어났는지에 대한 그럴듯한 시나리오를 구성한 유일한 논문이다"라고 말했다.

그는 "우리는 이제 두 발로 걷고 있다. 그리고 우리는 큰 두뇌와 기술을 진화시켰다"라고 말했다. 야나이는 "이 모든 것은 유전자의 인트론으로 뛰어든 이기적인 요소에서 비롯된 것이다. 정말 놀랍다"라고 덧붙였다.

하지만 연구팀은 또 다른 이상한 점을 발견했다. 이 부분을 제외한 TBXT 유전자의 형태만 가진 쥐를 만들면 인간의 척추 이분증(척추와 척수가 자궁에서 제대로 발달하지 못해 척추에 틈이 생기는 질환)과 매우 유사한 질환이 발생할 수 있다. 이전에는 인간 TBXT의 돌연변이가 이 질환과 관련이 있는 것으로 밝혀졌다. 다른 생쥐는 척추와 척수에 또다른 결함이 있었다.

특히 연구진은 꼬리를 잃은 생쥐에서 척수와 뇌를 생성하는 배아 구조인 신경관에 영향을 미치는 선천성 결함인 척추 이분증 유병률이 더 높다는 사실을 발견했다. 미국 질병통제예방센터에 따르면 이 질환은 출생아 1000명 중 약 1명에 영향을 미친다.

연구진은 꼬리가 없는 것이 큰 이점이므로 척추 이분증의 발병률이 증가하더라도 그만한 가치가 있다고 제안했다. 이는 많은 유전 및 발달 질환의 경우와 마찬가지로, 균형상 우리에게 도움이 되는 일부 돌연변이의 부산물일 수 있다. 예를 들어, 최근 연구에 따르면 폐렴과 싸우는 데 도움이 되는 유전적 변이가 크론병에 걸리기 쉽다는 사실이 밝혀졌다.

보케는 "TBXT 결핍은 일종의 의도하지 않은 결과일 수 있지만, 신경관에 구멍이 남는다는 의미에서 완전한 신경 폐쇄를 얻지 못할 가능성이 더 높다"라고 말했다.

이타이 야나이는 "아무도 우리의 호기심에 따라 같은 돌연변이를 넣어 쥐의 꼬리를 잃게 만들 것이라고는 생각하지 못했는데... 그 쥐에게도 신경관 결함이 있는 것을 확인했다"라고 덧붙였다.

이러한 유형의 대체 스플라이싱의 발견은 향후 게놈 분석 분야 전체에 영향을 미칠 것으로 보인다.

보케는 이러한 영향력 있는 알루 요소에 대해 "앞으로 더 많이 발견될 것이라고 생각한다"고 말했다. 그는 아마도 우리 형질의 진화적 변화의 근본 원인이 되는 대체 스플라이스 단백질이 존재할 것이라고 덧붙였다.