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- 처음으로 580 동물 종의 DNA 매핑, 후생유전체의 가계도 작성
- 매우 다른 종 사이에서도 후생유전학적 패턴이 유사하다
- DNA 메틸화는 세포의 기억; 간 세포는 항상 간 세포로 심장 세포는 심장 세포로 남도록
- 약 5억 년의 진화 과정에서 기본 후생유전학적 패턴은 놀랍게도 동일하게 유지

생명의 "두 번째 코드"에 대한 가계도
580종의 동물 종에 대한 DNA 메틸화 매핑으로 진화 경향이 드러남

문어에서 코끼리까지:
연구원들이 처음으로 580종의 동물 종의 DNA 부착 패턴을 비교 방식으로 매핑하여 후생유전체의 가계도를 만들었다. 생명의 이 "두 번째 코드"를 매핑하면 매우 다른 종 사이에서도 후생유전학적 패턴이 유사하다는 것과 그 이유가 드러난다. 그들은 또한 척추동물의 진화에서 후생유전체에 두 가지 현저한 "도약"이 있었다는 것을 보여준다. 그 결과는 이제 병원성 후생유전학적 변화를 포함하여 추가 연구를 위한 참고 자료가 된다. 

▲ DNA에 대한 메틸 그룹의 부착은 유전자를 읽을 수 있는지 여부에 영향을 미친다. 따라서 이 "두 번째 코드"는 유전자 활동에 대한 중요한 제어 요소다. © Christoph Bock/ CeMM

이것들은 생명의 "두 번째 코드"를 형성한다. 우리 DNA의 후생유전학적 침전물은 어떤 유전자를 읽고 어떤 유전자를 음소거할지 제어한다. 어떤 면에서 그들은 유전적 "하드웨어"의 활동을 조절하는 "소프트웨어"를 형성한다. 동일한 DNA에도 불구하고 우리 세포가 완전히 다른 세포 유형과 조직이 될 수 있도록 하는 후생유전체이기도 하다. 이것의 주된 이유는 메틸화 – DNA 염기에서 메틸기(-CH3)를 차단하는 부속물이다.

"DNA 메틸화는 세포의 기억이며 우리 몸의 모든 세포가 동일한 유전자를 갖추고 있음에도 불구하고 간 세포는 항상 간 세포로 남아 있고 심장 세포는 심장 세포로 남아 있도록 한다"고 비엔나 의과 대학의 수석 저자인 크리스토프 복(Christoph Bock)이 설명했다. 또한 DNA 메틸화는 건강에 중요한 역할을 한다. 암 위험과 생물학적 연령에 영향을 미치고 운동을 꺼리게 만들고 심지어 쌍둥이인지도 드러낸다.

비교 대상 580종의 동물

그러나 진화 과정에서 후생유전체는 어떻게 발달했을까? 다른 척추동물도 DNA 메틸화의 기본 패턴을 공유할까? Bock과 오스트리아 과학 아카데미 분자 의학을 위한 CeMM 연구 센터의 제1 저자 Johanna Klughammer가 이끄는 팀은 이제 이것을 처음으로 종합적으로 조사했다. 이를 위해 연구원들은 문어에서 코끼리에 이르기까지 580종의 동물의 다양한 장기와 조직 샘플을 분석했다.

▲ 연구팀은 문어에서 코끼리에 이르는 580종의 동물 표본을 유전적, 후생유전학적으로 분석했다. © Klughammer et al./Nature Communications, CC-by 4.0

또한 연구원들은 이러한 동물 종 중 207종에 대해 DNA 메틸화 패턴이 폐와 간과 같은 다른 조직과 기관사이에 다른지 여부와 그 방법을 조사했다. 근본적인 질문은 예를 들어 개구리의 폐 조직이 다른 개구리 조직보다 후생유전학적으로 인간의 폐와 더 유사한지 여부였다.

DNA 코드와 후성유전체는 밀접하게 연결되어 있다.

에피게놈 지도 작성 결과:

약 5억 년의 진화 과정에서 기본 후생유전학적 패턴은 놀랍게도 동일하게 유지되었다. 따라서 메틸기가 부착된 위치는 우연의 일치가 아니라 DNA 코드에 의해 결정된다. 따라서 특정 염기 서열은 다른 염기 서열보다 부착에 "더 취약"하다. "이 패턴은 모든 분류 그룹에 걸쳐 보존되었다"고 연구원들은 보고했다. "이것은 DNA 서열과 DNA 메틸화 사이의 예측 관계인 게놈 코드의 존재를 뒷받침한다."

불가사리와 어류의 DNA 메틸화는 오랑우탄이나 인간과 매우 유사한 원리를 따른다. "예를 들어, 우리는 문어를 위해 만든 모델을 사용하여 코끼리 게놈의 DNA 메틸화 분포를 예측할 수 있었다"고 클룩함머(Klughammer)의 동료인 다리아 로마노프스카이아(Daria Romanovskaia)는 말했다. "이러한 후생유전학적 패턴은 이 동물들의 마지막 공통 조상에 이미 존재했을 가능성이 매우 높다.”

▲ DNA 염기의 특정 삼중항 서열은 다른 것보다 더 자주 부착물을 가지고 있다. © Klughammer et al./Nature Communications, CC-by 4.0

장기는 종 전체에서 유사한 패턴을 나타낸다.

연구원들은 이 기본 코드가 무엇보다도 배아의 조직 분화에 중요한 역할을 한다고 의심한다. 많은 장기 및 조직 특이적인 서명이 종 간에 매우 유사하다는 것은 적합하다. 따라서 일부 부착 패턴은 동일한 동물의 다른 조직에서보다 다른 동물 종의 동일한 기관에서 더 유사하다. 이것은 특히 경골 어류, 새 및 포유류에 해당된다.

연구팀은 진화적으로 보존된 서열 및 기관 특이적 메틸화 패턴이 무엇보다도 배아 분화 및 발달에 중요한 역할을 할 수 있다고 믿고 있다. Klughammer와 그녀의 동료들은 "DNA 서열 자체에 암호화된 후생유전체의 기본 상태는 시작 혈통을 나타낼 수 있으며, 이는 이후 삶의 과정에서 다른 영향에 의해 수정된다"고 설명했다.

가계도의 두 가지 큰 도약

그럼에도 불구하고 진화 과정에는 분명한 차이점과 변화가 있다. 무엇보다도 팀은 후성 유전적 가계도에서 두 가지 분명한 도약을 확인했다. "후생유전학의 유전자 코드는 무척추동물보다 척추동물에서 더 명확하고 더 구속력이 있다. 기본 패턴이 유사하더라도 말이다"고 Bock은 보고했다. "파충류, 조류 및 포유류의 출현으로 DNA 메틸화의 유전적 요소가 더욱 뚜렷해졌다."

또한 동물 종의 크기와 수명과 관련이 있다. 이러한 유기체는 무엇보다도 세포 퇴행의 위험이 더 높기 때문에 그들의 게놈은 특히 DNA 침전물에 의해 잘 보호되고 제어되는 것 같다. 연구팀은 동물 종에서 암의 이론적 위험이 높을수록 DNA 메틸화가 더 높다는 것을 발견했다. 코끼리는 본질적으로 암에 걸릴 위험이 더 높지만 이것이 작고 수명이 짧은 생쥐나 송어보다 암에 걸릴 가능성이 더 높지는 않다.

▲ 그림 1: 580종의 동물로 구성된 DNA 메틸화 지도는 척추동물 진화 전반에 걸쳐 게놈과 후성유전체 사이의 전체적인 연관성을 보여준다. 연구의 시각적 요약. 종간 아틀라스는 580종의 동물(535종의 척추동물과 45종의 무척추동물)을 포괄하는 2443개의 게놈 규모 DNA 메틸화 프로파일로 구성. 동물 실루엣은 분류학적 그룹당 한 종을 보여준다: 문어(무척추동물), 상어(연골어류), 잉어(경골어류), 개구리(양서류), 거북이(파충류), 비둘기(새), 왈라비(유대류), 코끼리(유테리안) 포유류). 장기 실루엣은 포함된 주요 조직을 나타내며 배엽으로 구성. b 각 조직 및 분류군에 대해 분석된 샘플 수를 보여주는 버블 플롯. c 주석이 달린 분류학 트리에 매핑된 모든 조직 및 개체에 걸쳐 평균화된 각 종(원 외부의 검은색 막대)에 대한 게놈 차원의 DNA 메틸화 수준을 보여주는 막대 그래프. (출처: 관련논문 Comparative analysis of genome-scale, base-resolution DNA methylation profiles across 580 animal species / Published: 16 January 2023)

추가 연구를 위한 참조

전반적으로, 이 연구는 현재까지 가장 포괄적인 동물 후생유전체 가계도를 제공하며, 생명의 "두 번째 코드"를 형성하는 생물학적 패턴과 근거에 대한 중요한 통찰력을 제공한다. 이를 통해 얻은 지식은 예를 들어 인간과 동물 사이의 특정 차이점을 보다 표적화된 방식으로 조사하는 심층 연구의 출발점이 될 수 있으며, 후생유전체를 변화시키는 요인도 있다.

연구의 일환으로 연구원들은 각 동물 종의 참조 게놈과 독립적으로 DNA 메틸화를 조사하는 데 사용할 수 있는 새로운 분석 방법도 개발했다. Klughammer는 "이것은 이전에 후성유전학적 분석에 거의 접근할 수 없었던 모든 동물 종에서 유전학과 후성유전학의 상호작용을 연구하는 것을 가능하게 한다"며 "바라건대 이것은 또한 인간, 암 발달 및 건강한 노화에서 후성유전학의 역할을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것이다"고 말했다.
(Nature Communications, 2023; doi: 10.1038/s41467-022-34828-y)
출처: Nature Communications, CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften(오스트리아 과학 아카데미 분자 의학 CeMM 연구 센터)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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