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- 현재 이론, 미토콘드리아 DNA는 세포 핵 DNA와 완전히 분리돼 모계를 통해서만 유전
- 2018년에 과학자들은 미토콘드리아 DNA가 분명히 부계로 전달되는 가족 발견
- 미토콘드리아 DNA의 일부는 반복적으로 우리 세포핵의 게놈에 통합
- mtDNA 삽입물의 90%는 인간이 가장 가까운 유인원 친척에서 분리된 후 세포핵에 유입
- 암세포 게놈, 정상 세포보다 10배 새로 형성된 mtDNA 삽입물 포함

미토콘드리아-DNA, 일반적인 이론과 달라
생각과 달리 미토콘드리아 DNA는 세포 핵 게놈에 통합될 수 있다.

이론에 반하여:
모든 사람은 실제로는 거기에 속하지 않는 5개의 DNA 서열을 세포핵에 가지고 있다. 최대 1,500개의 염기쌍 길이인 이러한 DNA 섹션은 분석에서 밝혀진 바와 같이 우리의 미토콘드리아에서 유래하기 때문이다. 연구에 따르면 이 미토콘드리아 DNA의 일부는 반복적으로 우리 세포핵의 게놈에 통합되며 이 전달은 오늘날까지 계속된다. 이것은 기존의 통념과 모순되며 우리 게놈의 진화에 새로운 빛을 제공한다. 

▲ 일반적인 지혜에 따르면 미토콘드리아의 게놈은 세포 핵의 DNA와 완전히 분리되어 있다. © Jian Fan, DeoSum/ 게티 이미지

모든 사람은 세포에 두 가지 유형의 DNA를 가지고 있다. 대부분의 유전 물질은 세포핵의 염색체에 있으며 부모로부터 자녀에게 전달된다. 더 작은 부분은 세포의 발전소인 미토콘드리아에서 발견된다. 이 미토콘드리아 DNA는 약 1만6500개의 염기쌍에 걸쳐 분포된 37개의 유전자로 구성되며 주로 미토콘드리아가 고에너지 분자 ATP를 생성하는 반응을 조절한다.

미토콘드리아 "이상치"의 미스터리

현재 이론에 따르면 미토콘드리아 DNA는 세포 핵 DNA와 완전히 분리돼 있으며 모계를 통해서만 유전된다. 어머니는 난자를 통해 미토콘드리아와 함께 자손에게 전달한다. 그러나 2018년에 과학자들은 미토콘드리아 DNA가 분명히 부계로 전달되는 가족을 발견했다. 아이들과 그들의 아버지 사이의 유사점을 설명할 다른 방법이 없었다. 적어도 그들은 그렇게 생각했다.

이제는 이것이 사실과 다르며 이 mtDNA 전달에 대한 설명이 훨씬 더 놀랍다는 것이 밝혀졌다. 이것은 케임브리지 대학의 Wei Wei와 그녀의 동료들이 미토콘드리아 DNA 삽입을 위해 6만6000명 이상의 사람들의 세포핵을 구체적으로 분석했을 때 발견했다. 그러한 파편이 있다는 것은 오래전부터 알려져 왔다. 그러나 그들은 최초의 세포가 박테리아를 흡수하고 내공생을 통해 처음으로 미토콘드리아를 형성한 직후의 동물 진화 초기부터 유물로 간주되었다.
*내공생설內共生說, endosymbiosis theory : 핵만 있는 원핵생물에 광합성세균이나 호기성세균이 들어가 공생해서 진핵생물이 진화되었다는 설.

거의 모든 게놈에 mtDNA 삽입

놀라운 결과:
연구원들은 이전에 알려지지 않았고 참조 게놈에 기록되지 않은 실험 대상의 핵 DNA에서 3,800개의 미토콘드리아 DNA 절편을 확인했다. 이에 따르면 모든 사람은 평균 4.7개의 mtDNA가 세포핵 게놈에 삽입돼 있다. 이러한 삽입된 서열의 길이는 24개 염기쌍의 작은 조각에서 전체 미토콘드리아 게놈에 이르기까지 다양하다. 그러나 짧은 파편이 긴 파편보다 더 일반적이라는 것을 발견했다.

▲ a, 두 가지 주요 구성 요소(PC1 및 PC2)에 투영된 공통 단일 염기 다형성(SNP)의 핵 유전자형. 개인은 핵 게놈의 할당된 조상에 따라 색상이 지정된다. 파이 차트는 동아시아(청록), 남아시아(분홍), 아프리카(녹색), 미국(빨강), 유럽(파랑), 미지정(노랑)과 같은 각 그룹 전체의 비율을 보여준다. b, 조상이 다른 집단에서 발견된 NUMT의 평균 수. 수직선은 각 모집단의 평균 NUMT 수를 나타낸다. c, 서로 다른 조상의 모집단 간에 감지된 NUMT의 평균 수에 대한 쌍별 비교에서 P 값을 보여주는 히트 맵(양측 Wilcoxon 순위 합 테스트). (출처: 관련논문 Fig 2. Nuclear-embedded mitochondrial DNA sequences in 66,083 human genomes / nature)

세포 발전소에서 유래한 DNA 서열은 미토콘드리아 게놈의 모든 부분에서 유래하며 분석에서 보여주듯이 모든 염색체에 도입될 수 있다. 그러나 이러한 삽입은 단백질 코딩 유전자의 중간에서 단 한 개도 발견되지 않았다. 대신, 이러한 삽입의 약 58%는 유전자 근처 또는 진입 서열에 위치하고 나머지는 "정크" DNA에 속하는 게놈 부분에 있다.

오늘날까지 계속되는 DNA 이식

이전에 가정된 것과는 달리, 이 삽입물은 결코 우리의 초기 동물 조상으로부터 전달된 고대 DNA 서열이 아니다. 대신, 연구자들이 결정한 바와 같이, 이러한 mtDNA 삽입물의 90%는 인간 종이 가장 가까운 유인원 친척으로부터 분리된 후에야 세포핵에 들어왔음에 틀림없다. 이러한 삽입물의 대부분은 10만년 미만이다.

그러나 훨씬 더 놀라운 사실은 약 8,200명의 어머니, 아버지, 자녀로 구성된 가족 3인조의 게놈을 비교한 결과 오늘날에도 미토콘드리아 DNA가 여전히 세포핵으로 들어가 우리 게놈에 통합되어 있다는 사실이 밝혀졌다. 이에 따르면, 신생아 약 4,000명 중 1명은 배아 발달 중에만 생성된 이러한 mtDNA 삽입물을 게놈에 가지고 있다. 이 전이는 이미 생식 세포에서 또는 나중에 개별 조직이나 세포에서 일어날 수 있다.

▲ 미토콘드리아는 약 16,500 염기쌍 길이의 자체 DNA를 가지고 있다. © ttsz/ 게티 이미지

아직 불명확한 메커니즘

선임 저자인 케임브리지 대학의 패트릭 치너리(Patrick Chinnery)는 "우리는 이 모든 일이 우리 종이 진화하기 훨씬 전에 일어난 일이라고 생각했지만 지금은 그것이 사실이 아님을 발견했다"고 말했다. 대신에 mtDNA를 우리의 핵-게놈으로 옮기는 일은 오늘날에도 여전히 일어나고 있다. Chinnery는 "지금 이 순간에 우리 미토콘드리아 유전자 코드의 일부가 세포의 게놈에 삽입되고 있다"고 말했다. 이것은 또한 수십 억 년 전에 내부 공생으로 시작된 과정이 아직 완료되지 않았음을 의미할 수도 있다.

미토콘드리아에서 세포핵으로 DNA가 정확히 어떻게 전달되는지는 여전히 불분명하다. mtDNA 서열은 세포 분열 동안 미토콘드리아 게놈에서 우발적으로 절단된 다음 세포 혈장을 통해 핵으로 이동하는 것으로 생각할 수 있다. 그러나 RNA 분자가 매개체 역할을 하는 것도 가능하다. mtDNA를 읽을 때 생성된 이 RNA는 세포핵의 DNA 복구 메커니즘 과정에서 핵 DNA에 잘못 통합될 수 있다.

암세포에 더 많은 삽입

또 흥미로운 것은 분명히 우리의 세포 기계는 mtDNA 조각이 핵-게놈에 속하지 않는다는 것을 인식한다. 세포는 메틸 그룹을 부착함으로써 미토콘드리아 유전자가 핵 DNA에서 읽히는 것을 방지하여 이를 음소거한다. 결과적으로 이러한 뿌리는 일반적으로 우리에게 아무런 영향을 미치지 않는다. 그러나 Wei와 그녀의 동료들은 암세포의 게놈이 정상 세포보다 10배 더 자주 새로 형성된 mtDNA 삽입물을 포함한다는 것을 관찰했다.

이것은 종양의 정상적인 제어 메커니즘이 더 이상 제대로 기능하지 않으며 따라서 미토콘드리아 DNA가 핵으로 들어갈 가능성이 더 높다는 것을 나타낼 수 있다. 그러나 연구자들이 설명하는 것처럼 뿌리는 것이 세포의 퇴화에 기여한다는 것을 배제할 수는 없다.
(Nature 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05288-7)
출처: Nature, University of Cambridge

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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