빠르게 일어나는 진화속도에 대한 측정

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2010-01-04

돌연변이는 진화의 원천이다. 찰스 다윈은 이미 진화는 개인들 사이의 유전적인 차이에 근거한다는 점을 알고 있었다: 환경에 잘 적응한 사람은 자신의 유전자를 다음 세대에 전달할 가능성이 높다. 만일 유전체가 새로운 돌연변이를 통해서 변화하게 될 경우에 한 생물종은 진화할 수 있으며 가장 최상의 변이가 도태과정을 통해 살아남게 된다. 독일 튜빙겐 (Tubingen)에 위치한 막스 플랑크 발달생물학 연구소 (Max Planck Institute for Developmental Biology)와 미국 블루밍턴 (Bloomington)의 인디애나 대학 (Indiana University)의 과학자들은 처음으로 식물에서 일어나는 새로운 돌연변이의 속도를 측정할 수 있게 되었다. 이들의 발견은 근본적인 진화과정에 대한 이해를 증진시킬 수 있게 되었다. 이들 과학자들은 예를 들어 왜 제초제에 대한 내성이 겨우 몇 년 안에 나타나는가를 설명할 수 있게 되었다. 이들의 연구결과는 학술지 <사이언스>지에 발표되었다 < Stephan Ossowski et al. Science, 2010; 327 (5961): 92 DOI:10.1126/science.1180677>. 막스 플랑크 연구소의 소장인 디틀레프 바이겔 (Detlef Weigel)은 “유전체 돌연변이의 장기적인 영향은 잘 알려져 있지만 처음에 얼마나 자주 새로운 돌연변이가 일어나는가에 대해서는 알지 못했다”고 말했다. 오늘날에 연관된 동물이나 식물종의 유전체를 비교하는 것은 일상적인 일이 되었다. 이러한 비교는 두 개의 생물종이 분리된 이후 수백만 년 동안 잃어버린 돌연변이를 무시하게 된다. 바이겔의 연구팀과 인디애나 대학의 마이클 린치 (Michael Lynch)의 연구팀은 도태가 발생하기 전에 진화의 자취를 조사하였다. 이러한 문제를 조사하기 위해서 연구자들은 30 세대 동안 발생한 겨자나무의 일종인 아기장대 (Arabidopsis thaliana)의 다섯 가지 계통에서 일어나는 모든 유전적인 변화를 조사했다. 최종 세대의 유전체에서 연구자들은 원래 조사의 유전체와의 차이를 알아볼 수 있게 되었다. 고통스러울 정도로 세부적으로 전체 유전체에 대한 비교를 통해서 몇 년 동안 20여 개의 DNA구성기반인 염기쌍이 다섯 계통에서 돌연변이가 일어났다는 사실을 보여주었다. 마이클 린치는 “단일 세대에서 유전체의 부호가 변할 수 있는 가능성은 1억 4,000만 년에 한 번 일어날 수 있다”고 설명했다. 이 문제를 다르게 접근하기 위해 각 씨앗은 평균 각 유전체의 두 개의 쌍에서 한 개의 새로운 돌연변이를 갖도록 했다. 아기장대의 1억 2,000만 개의 염기쌍에서 일어나는 미세한 변화를 발견하는 것은 건초더미에서 바늘을 찾는 것과 같다고 바이겔은 말했다. 그는 “염기체가 변화를 일으키는 지점을 찾는 것은 우리가 전체 유전체를 매우 정확하고 짧은 시간 안에 가려낼 수 있도록 하는 새로운 방법 때문에 가능하게 되었다”고 말했다. 아직까지 이들의 노력은 벅찬 일이 되고 있다: 즉, 발견오류에서 진실된 새로운 돌연변이를 구분하기 위해 각 유전체의 각 부호는 30차례 정도 반복적으로 체크해야 한다. 각 개별 식물에서 일어나는 새로운 돌연변이의 숫자는 아마도 매우 적을 것이다. 하지만 한 생물종의 모든 구성원의 유전체에서 돌연변이가 일어나기 시작한다면 이 유전체가 얼마나 부드럽게 일어나는가는 명확해진다: 겨우 6,000만 아기장대에서 유전체의 개별 부호가 변화하는 것은 평균 한 차례일 뿐이다. 각 세대 마다 수천 개의 씨앗을 만들어내는 식물에서 6,000만 개는 그다지 큰 숫자가 되지 않는다. 새로운 돌연변이의 속도와 별개로 지금까지 발견된 유전체의 일부분은 공히 영향을 받고 있다는 점을 이번 연구에서 보여주고 있다. 네 개의 각기 다른 DNA 부호를 가지고 여섯 가지 가능한 변화가 일어난다. 하지만 이들 중 하나는 전체 돌연변이의 절반 가량에 영향을 준다. 또한 과학자들은 생물종이 분화될 때 좀더 정확하게 계산할 수 있게 된다. 아기장대와 가장 가까운 친척인 묏장대 (Arabidopsis lyrata)는 그 크기와 꽃의 냄새와 그 수명을 포함해서 여러가지 면에서 큰 차이를 보인다. 묏장대는 몇 년 동안 살아남지만 아기장대는 정상적으로 산다면 몇 달 밖에 살지 못한다. 연구자들은 이전에 두 생물종이 분리된 것은 겨우 500만 년 전이라고 생각해왔다. 이 새로운 자료에 의하면 이 두 가지 생물종의 분화는 2,000만 년 전에 이미 일어났다. 이와 유사한 주장을 통해서 선사시대의 동물이나 식물이 처음으로 길들여진 시기를 추정할 수 있다. 좀더 실증적으로 미국-독일의 연구팀의 연구결과는 충분히 많은 숫자에서 유전체에서 가능한 모든 돌연변이가 나타나야 한다. 그래서 육종자들은 잠재적으로 수확량을 증대시키고 식물을 기근에 좀더 잘 견딜 수 있도록 만들 수 있는 가능성이 있는 간단한 돌연변이를 찾을 수 있어야 한다. 전혀 변화하지 않은 친족 중에서 이들을 찾는 것은 매우 힘든 일이다. 반면에 이번에 이루어진 새로운 발견은 왜 잡초가 빠르게 제초제에 내성을 갖게 되는가를 설명할 수 있다. 거대한 잡초군에서 극히 소수의 개별 잡초들은 그 유전체의 적절한 부분에서 제초제에 대해 견딜 수 있도록 변화했기 때문일 것이다. 바이겔은 “이것은 특히 제초제가 개별 유전자나 유전자의 생산물에만 영향을 주기 때문에 문제가 된다”고 말했다. 그 해결책은 동시적으로 몇 가지 유전자의 활동에 개입할 수 있는 제초제가 될 것이다. 좀더 거대한 그림을 통해서 보면 인간 유전체의 변화는 적어도 아기장대에서 일어나는 만큼 빠를 것이라고 바이겔은 주장했다. 그는 “우리의 발견을 인간에 적용한다면 개별 인간은 우리의 부모에게서 나타나지 않는 60 개의 새로운 돌연변이가 일어나는 것이다”고 말했다. 지구상 60억 명의 인간을 대상으로 볼 때, 이것은 평균 인간 유전체의 개별 부호가 몇 십명을 대상으로 변화하는 것이다. 린치는 “유전적으로 가능한 모든 것이 매우 짧은 기간 동안 테스트된다”고 말하면서 우리가 친근하게 생각해온 진화는 수천 년에서 수만 년에 한 번 일어나는 것이라는 관점과는 다른 것이 될 것이라고 강조했다. 출처: <Science Daily> 2010년 1월 3일 참고자료: Stephan Ossowski, Korbinian Schneeberger, Jose Ingnacio Lucas-Lledo, Norman Warthmann, Richard M. Clark, Ruth G. Shaw, Detlef Weigel and Michael Lynch. The Rate and Molecular Spectrum of Spontaneous Mutations in Arabidopsis thaliana. Science, 2010; 327 (5961): 92 DOI:10.1126/science.1180677 출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2009/12/091231164743.htm