4개의 뿔을 가진 염소와 양, 원인은?

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-02-26 12:59:59
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(3분 읽기)
- HOXD1유전자의 돌연변이
- 단백질 수 감소로 뿔의 싹이 갈라진다.

네 개의 뿔이 달린 염소와 양에 관한 수수께끼가 풀렸다.
HOXD1 유전자의 돌연변이로 인해 뿔 싹이 갈라진다

수수께끼의 성장 :
보통 뿔 2개 대신 4개의 뿔을 갖는 양과 염소가 있다.
그 이유는 소위 HOXD1 유전자의 돌연변이 때문이다. 이 유전자는 배아 발달 중에 뿔이 자라는 영역을 결정하는 단백질을 암호화한다. 유전자 돌연변이로 인해 단백질 수가 감소해 이 영역이 확장되고 뿔 싹이 갈라지는 것처럼 보인다. 

▲ 이 양은 네 개의 뿔을 갖고 있다. 유전적 돌연변이가 원인이다. © JA Lenstra

이미 수백만 년 전에 강력한 머리 방패와 뿔을 가진 생명체가 있었다.
현재까지, 작은 딱정벌레나 거대한 코뿔소에서도 매우 다양한 뼈 두개골에 속한 것들이 발달해왔다. 머리 장식의 유전적 기원이 같을 것으로 추정되는 반추 동물은 특히 뿔 쌍이 다른 것으로 알려져 있는 것은 머리 장식의 유전적 기원이 같은 것으로 추정되는 반추 동물 들이다. 뿔 달린 동물군에는 전형적인 두 뿔보다 더 많이 갖고 있는 양과 염소가 있다.

이러한 이상 현상은 어디에서 왔을까?

폴리세레이트(Polycerate)라고도 알려진 이 뿔의 형태학적 이상의 유전적 기원은 지금까지 수수께끼였다. 최근 Paris-Saclay 대학(UPS)의 Aurelie Allais-Bonnet과 함께 일하는 과학자들은 전형적인 2개와 4개의 뿔을 가진 뿔 달린 동물의 게놈을 조사했다.
▲ 양과 염소의 Polyceraty 및 후보 유전자 변형. (a) Polycerate Manx Loaghtan ram. (b) 현지 독일 인구의 야생형 및 폴리세레이트 수컷 염소. 이 개체는 가장 일반적인 표현형을 나타낸다. 비대칭 뿔이 있고 측면 뿔이 부분적으로 융합된 폴리세레이트 동물도 정기적으로 관찰된다. (c) 양에서 폴리세라티를 유발하는 4-bp 결실. 통합 게놈 뷰어 (IGV) 스크린 샷은 HOXD1과 관련된 변이의 현지화를 보여준다. 아래는 103 개의 sarcopterigian 및 tetrapod 종에 걸친 엑손 1- 인트론 접합부의 뉴클레오티드 보존을 그래픽으로 나타낸 것 (d) Chr2에서 HOXD 유전자 클러스터 하류에서 503kb의 손실 및 Chr5에서 137 kb의 중복을 갖는 이형 접합 폴리세레이트 염소 동물에서의 판독 커버리지 플롯. (e) Chr2에서 삭제된 영역 (빨간색으로 표시됨) 및 삭제 부위 (녹색으로 표시됨)에 삽입된 Chr5의 세그먼트에 해당하는 BAC 클론을 사용해 이형 접합 폴리세레이트 염소에서 FISH- 매핑.(출처: 관련논문 Analysis of Polycerate Mutants Reveals the Evolutionary Co-option of HOXD1 for Horn Patterning in Bovidae

연구팀은 먼저 약 1200 마리의 양의 게놈을 비교했는데 그중 1천 마리 이상이 전형적인 2개의 뿔을, 11마리는 4개의 뿔을 가지고 있었다. 연구자들은 마침내 약 50마리의 두 개의 뿔을 가진 염소와 35마리의 네 개의 뿔을 가진 염소의 양에서 다른 게놈의 위치를 ​​확인했다.
정확한 식별을 위해 그들은 중합효소연쇄반응(PCR)을 사용해 유전 물질의 섹션을 복제하고 염기 배열순서를 통해 염기쌍을 식별했다.

기원은 돌연변이 된 HOXD1-유전자에서

결과 :
실제로 모든 폴리세레이트 개체에서 동일한 유전자가 돌연변이 됐다.
HOXD1 유전자였는데, 이른바 homeotic 유전자다. 이 유전자는 신체 계획의 조직과 배아 발달 동안 다양한 기관의 형성에 관여하는 조절 단백질을 암호화한다.

분석 결과 HOXD1 유전자가 양과 염소에서 다르게 변이된 것으로 나타났다.
양에서는 염기쌍이 몇 개만 누락되었고 유전성 물질이 상실됐다.
반면에 염소의 경우 더 큰 유전자 세그먼트의 손실과 더불어 염기 세그먼트도 다른 위치로 재배치되었다. 그러나 두 형태의 돌연변이 모두 HOXD1 유전자에 의해 암호화된 단백질의 양을 감소시켰다.
▲ (a) 맨 위에는 화살표가 있는 마우스 HoxD 유전자 클러스터의 구조가 발달 중에 신체 축을 따라 유전자 발현의 타이밍과 국소화를 보여준다. Hoxd1의 위치가 빨간색으로 강조 표시. 아래는 Hoxd1이 빨간색으로 표시된 궤적의 1Mb보기와 양(검은색 화살표) 및 염소(검은색 선)의 POLYCERATE 변형의 상대적 위치. 아래는 Hoxd1 (파란색 화살표)에 lacZ 삽입, 두 개의 BAC 클론 (굵은 파란색 선) 및 조작된 송실 (검은색 선)과 함께 다양한 뮤린 대립 유전자를 보여준다. (b) X-gal 염색 후 E12.5–E13.5 마우스 태아의 머리. 점선 원은 크라운에서 Hoxd1 발현이 없음을 강조하는 반면 (Bovidae에서 hornbuds의 국소화에 해당), 주변 진피 세포는 양성이다. 목 뒤 (검은 색 화살표)에서 Hoxd1 발현의 보존은 안면 근육 전구체 (흰색 화살표) 및 눈꺼풀 (화살촉)의 발현 유무와 대조된다. 4개의 균주 간의 비교는 이러한 모든 두개골 유도체에서 Hoxd1 발현이 폴리 세 레이트 염소에서 손실된 세그먼트의 근위 부분에 직교하는 영역에 위치한 조절 요소에 의해 제어됨을 나타낸다. (출처: 관련논문 Analysis of Polycerate Mutants Reveals the Evolutionary Co-option of HOXD1 for Horn Patterning in Bovidae)

단백질로 인해 뿔 싹이 갈라진다.

이것이 뿔이 많아지는 것과 어떤 관련이 있을까?
Allais-Bonnet과 그녀의 팀은 변형된 마우스에 대한 실험과 양과 염소 배아에 대한 연구와 여러 두개골의 측정을 통해 HOXD1 단백질이 뿔이 있는 동물의 머리 양쪽에서 뿔이 자라는 영역을 결정한다는 사실을 발견했다.

유전자 돌연변이가 발생하고 이에 따라 조절 단백질 수가 감소하면 이 영역이 확장된다.
이것은 차례로 배아 발달 중에 뿔 싹이 늘어나고 마침내 갈라진다는 사실로 이어진다.
"이 확장은 새싹 영역을 너무 크게 확장하여 두 개의 다른 기관으로 분리할 수 있게 한다"고 연구팀은 설명했다. 결과적으로 동물은 과도한 뿔을 키운다.
▲ 61개의 양의 두개골과 19개의 염소 두개골에 대한 3D 기하학적 형태 분석 결과.(출처:관련논문)

뿔이 있는 동물의 특징

이 발견은 과학자들이 설명하는 것처럼 homeotic 유전자에 대한 새롭고 예상치 못한 기능을 나타낸다. 따라서 그들은 이 속성이 뿔이 있는 동물에서 특별히 개발되었을 가능성이 높으며 특징적인 두개골 부속지의 정확한 면적과 수를 결정할 수 있다고 결론지었다.

Allais-Bonnet과 그녀의 동료들은 "이 결과는 이 유전자가 머리를 패턴화하는 데 중요한 역할을 하고 동물의 초기 발달에 관여하는 유전자의 진화적 인수를 설명한다"고 요약했다. (Molecular Biology and Evolution, 2021, doi : 10.1093 / molbev / msab021)
출처 : INRAE

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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