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- 5만2000년 동안 시베리아 영구동토층에 얼어붙어 있던 털북숭이 매머드 연구
- 동물의 귀에서 피부 샘플을 채취한 다음 세포에 소위 Hi-C 분석을 실시
- 선사시대 유물에 손상되지 않은 DNA 올리고뉴클레오티드가 보존돼
- 털북숭이 매머드의 염색체가 28개, 오늘날 가장 가까운 친척 코끼리의 염색체 수와 일치

처음으로 매머드의 염색체를 살펴봤다.
5만2천 년 된 게놈에서 처음으로 DNA 분열과 심지어 유전자 활동까지 밝혀졌다.

유전적 타임캡슐:
영구동토층 화석은 처음으로 매머드의 염색체 수와 구조를 밝혀냈으며, 심지어 52,000년 전에 죽은 동물의 유전자 활동까지 보여준다. 이 고생물학적 이정표는 급속 동결건조를 통해 DNA가 유리화된 털북숭이 매머드에 의해 가능해졌다. 그 결과, 그의 유전 물질의 3차원 포장이 유지돼, 팀이 "Cell"에서 보고한 것처럼 활성 DNA 영역의 특성까지 보존되었다. 이는 초기 동물의 게놈에 대한 완전히 새로운 관점을 열어준다. 

▲ 연구 개요도(출처:관련논문 Three-dimensional genome architecture persists in a 52,000-year-old woolly mammoth skin sample / Cell)

고생물유전학자들은 매머드, 털코뿔소, 빙하기 늑대, 고대 말 등 종종 수천 년 된 동물 유물의 DNA를 획득하고 분석했다. 심지어 백만 년 된 매머드의 게놈도 이미 복구됐다. 이는 영구동토층이나 다른 유리한 환경이 DNA를 포함한 조직을 보존했기 때문에 가능했다. 그러나 화석 유전 물질은 일반적으로 매우 단편화되어 있어 재구성이 어렵다.

문제:
일반적으로 길이가 수백 염기쌍에 불과한 DNA 단편은 게놈의 전체 구조에 대한 정보를 제공하지 않는다. 예를 들어 DNA가 염색체로 어떻게 나뉘는지, 어떤 부분이 방금 풀리고 활성화되었는지 등이 있다. 이 정보는 화석의 염색체 구조가 보존된 경우에만 얻을 수 있으며, 이 구조를 읽을 수 있는 방법이 있다.

▲ 매머드의 피부 세포에서 재구성된 유전자 활동은 또한 이 동물이 오늘날의 코끼리보다 털이 많은 이유를 설명한다. © Love Dalén/Stockholm University

실험 대상인 시베리아 매머드

이것이 바로 코펜하겐 대학의 Marcela Sandoval-Velasco가 이끄는 팀이 처음으로 달성한 것이다. 그들은 그들이 찾고 있던 것을 발견할 때까지 다양한 화석을 유전적으로 조사하는 데 5년을 보냈다. 그것은 약 5만2000년 동안 시베리아 영구동토층에 얼어붙어 있던 털북숭이 매머드였다. 2018년 발견된 화석에는 피부, 털 등 미세한 조직과 구조까지 그대로 보존돼 있다. 공동저자인 휴스턴 베일러 의과대학 올가 두첸코(Olga Dudchenko)는 “어떤 의미에서는 그가 사망한 직후 동결건조된 것으로 추정된다”고 말했다.

따라서 이 매머드는 염색체 구조를 재구성하는 데 유리한 조건을 제공했다. Dudchenko는 “이렇게 탈수된 샘플의 세포핵 구조는 믿을 수 없을 만큼 오랫동안 생존할 수 있다”고 설명했다. 고대 매머드 DNA의 구조를 해독하기 위해 연구팀은 동물의 귀에서 피부 샘플을 채취한 다음 세포에 소위 Hi-C 분석을 실시했다. 이는 세포핵의 어떤 DNA 부분이 서로 가깝고 따라서 아마도 동일한 염색체에 속해 있는지를 보여준다.

▲ 매머드의 귀에서 조직 샘플을 채취했다. © Love Dalén/스톡홀름 대학교

"유리화된" 유전 물질

실제로 이 방법은 최초로 빙하 시대 매머드의 염색체 구조를 밝혀냈다. 그녀는 동물의 게놈이 어떻게 나누어지고 어떤 DNA 부분이 함께 염색체를 형성하는지 보여주었다. 연구진은 “많은 사람이 선사시대 유물에 손상되지 않은 DNA 올리고뉴클레오티드가 보존되어 있다는 사실에 놀랐다”고 말했다. "이제 또 다른 놀라움이 있다. 공유 결합으로 형성되지 않은 염색체의 특징조차 매머드의 피부에 5만2000년 동안 보존되었다.“

이것이 어떻게 가능할까?

연구팀이 발견한 바와 같이, 매머드 세포의 유전 물질은 "유리화"되어 있다. 즉, 분자가 제자리에 고정되어 고체이지만 결정질이 아닌 덩어리를 형성한다. “이 염색질 유리는 일반적인 창유리와 다소 유사하다”고 수석 저자인 Erez Lieberman Aiden이 설명한다. "이 상태에서는 개별 입자나 DNA 조각이 많이 움직일 수 없다. 이는 서로에 대한 3차원 방향이 수천 년이 지나도 그대로 유지된다는 것을 의미한다.“

염색체가 28개이고 재배열이 거의 없음

이런 고생물학적 행운 덕분에 연구팀은 최초로 멸종된 동물의 염색체 수를 세고 재구성할 수 있었다. 공동저자인 코펜하겐 대학의 후안 안토니오 로드리게스(Juan Antonio Rodríguez)는 “우리는 털북숭이 매머드의 염색체가 28개라는 사실을 발견했다. 따라서 매머드의 염색체 수는 오늘날 가장 가까운 친척인 코끼리의 염색체 수와 일치했다”고 설명했다.

▲ 털북숭이 매머드의 재구성된 염색체. 세포핵에서 유전 물질은 28개의 염색체로 나누어져 있다. © Vinícius Contessoto, Antonio Oliveira Jr., José Onuchic / Center for Theoretical Biological Physics.

두드첸코(Dudchenko)는 “화석 염색체는 이전에는 불가능했던 통찰력을 제공하기 때문에 진정한 게임 체인저다”고 설명했다. 예를 들어, 분석 결과에 따르면 지난 5만2000년간의 코가 긴 장비류(長鼻類) 진화 기간 게놈을 개별 염색체로 나누는 것이 거의 변하지 않았음을 보여주었다. 팀이 확인한 바에 따르면 오늘날의 코끼리와 비교할 때 더 큰 DNA 부분의 재배열은 거의 없었다.

작은 고리가 유전자 활동을 드러낸다

추가 분석을 통해 최대 50나노미터 크기의 염색질 고리와 같은 가장 미세한 구조도 매머드 염색체에 보존되어 있음이 밝혀졌다. "이러한 DNA 루프는 활성화 제어 서열을 표적 유전자에 가깝게 가져오기 때문에 중요하다"고 바르셀로나 국립 게놈 분석 센터의 공동 저자인 Marc Marti-Renom은 설명했다. 이러한 루프는 다른 특징과 함께 매머드에서 어떤 유전자가 활발하게 읽혔는지 보여준다.

Marti-Renom은 “처음으로 여기에 거대한 조직이 생겼고, 이제 어떤 유전자가 켜져 있고 어떤 유전자가 켜져 있지 않은지 알 수 있게 됐다”라 말했다. "고대 DNA 샘플에서 세포별 유전자 활동을 확인할 수 있었던 것은 이번이 처음이다." 그는 “모낭 발달을 위한 주요 유전자의 활동 패턴이 코끼리의 활동 패턴과 완전히 다른 것으로 밝혀졌다”고 말했다. 이것은 매머드가 두꺼운 털을 가지고 있었지만, 오늘날의 코끼리가 털이 없는 이유를 설명한다.

▲ Fig 7 우리는 여기에서 연구된 털북숭이 매머드 샘플이 분자 확산이 최소화되는 유리 상태에 갇혀 있는 크로모글래스(chromoglass)를 포함하고 있다고 가정다. "우리는 또한 고대 샘플에서 염색체의 형태가 어떻게 지속될 수 있는지에 대한 물리적 모델을 제안한다. 염색질은 유리질의 비결정성 고체 상태에 포함돼 있다. 이 상태에서는 짧은 aDNA 단편의 확산과 같은 분자 확산이 최소화된다. 유리 전이는 자발적인 동결 건조, 즉 샘플의 물이 차가운 시베리아 대기로 점진적으로 승화되면서 발생했을 수 있니다. 이는 매머드 사체(길이 미터)부터 조직학적 특징(10 마이크론), 고리(50 nm)에 이르기까지 최소 8배 크기의 크기에 걸쳐 형태학적 특징이 보존되는 것을 설명할 수 있다." (출처:관련논문 Three-dimensional genome architecture persists in a 52,000-year-old woolly mammoth skin sample / Cell)

다른 빙하기 동물이나 심지어 이집트 미라에도 적용 가능

산도발-벨라스코(Sandoval-Velasco)와 그녀의 팀에 따르면, 이 획기적인 발전은 매머드와 기타 멸종 동물을 연구할 수 있는 새로운 기회를 열어준다. 동시에 염색체와 유전자 활동의 재구성은 예를 들어 매머드와 기타 멸종된 동물을 유전 물질을 사용하여 다시 살리기 위한 중요한 전제 조건을 만든다.

이집트 미라와 기타 잘 보존된 인간 유해의 염색체 구조도 이런 방식으로 해독될 수 있다. 일단 탈수되면, 유리화된 유전 물질은 실온에서도 안정적으로 유지되는데, 이는 연구자들이 육포에 대한 추가 테스트에서 다음과 같이 발견했다.

공동 제1저자인 휴스턴 라이스 대학의 신시아 페레즈 에스트라다(Cynthia Pérez Estrada)는 지구력 테스트에 대해 "우리는 그것에 엽총을 쏘고 차로 덮쳐 프로야구 선수가 야구공을 박살내도록 했다. 매번 육포는 유리처럼 작은 조각으로 부서졌다. 그러나 나노 수준에서는 염색체가 그대로 유지되었다”고 말했다.
(Cell, 2024; doi: 10.1016/j.cell.2024.06.002)
출처: Cell Press, 베일러 의과대학

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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