게놈 프로젝트를 통해 밝혀낸 선형동물의 텔로미어 진화

투박한 텔로미어 DNA로부터 텔로미어 진화를 이끌어 낸 원동력 규명 

생명시스템과학대학 생명정보융합학과 김준 교수 연구팀이 게놈 프로젝트를 활용해 텔로미어 진화를 밝힌 논문을 유전체 분야의 국제적인 학술지 'Genome Research' (IF: 7.0, 상위 11% 저널) 온라인판(11월 2일자)에 게재했다.

이번 연구 결과는 서울대 이준호 교수팀(제1저자 임지선)과 공동 연구를 통해 진행됐으며, 김준 교수가 교신저자로 참여했다. (논문 제목: Telomeric repeat evolution in the phylum Nematoda revealed by high-quality genome assemblies and subtelomere structures) 

텔로미어는 진핵생물에서 DNA를 보호하는 가장 중요한 구조물 중 하나로, 그 서열이 쉽게 진화하지 않는다는 특징을 지닌다. 텔로미어가 손상되면 세포노화가 일어나며 심각한 문제가 발생할 수 있을 정도로 중요해 변화가 일어나면 오히려 생물의 적응력이 떨어질 수 있기 때문이다. 실제로 모든 척추동물은 TTAGGG라는 동일한 텔로미어 DNA를 지닐 정도로 진화가 느리게 일어난다. 심지어 곤충이나 선충처럼 사람과 심각하게 다른 생물 정도 되어도 TTAGG 또는 TTAGGC 같이 DNA가 1개 차이 나는 미세한 진화가 나타날 뿐이다. 그런데 이러한 텔로미어 DNA가 효모와 식물 등에서는 조금씩 바뀌며 진화한 적이 있다는 것이 알려져 있고, 이는 동물에서도 이러한 진화가 보다 자주 일어날 수 있음을 암시하는 결과였지만, 이에 대한 연구는 미비한 상황이다. 

김준 교수 연구진은 이러한 텔로미어 DNA 진화를 확인하기 위해 동물의 일종인 선형동물의 DNA 데이터를 수집하고, 직접 개발한 프로그램을 활용해 거대한 데이터를 분석했다. 그 결과, 선형동물에서 이러한 텔로미어 DNA 진화가 최소 3회 일어났음을 밝혀내, 동물에서도 텔로미어가 자주 변화할 수 있다는 것을 최초로 보여주는 데 성공했다. 

연구진은 이를 검증하기 위해 서울시 감나무, 충주시 사과밭, 제주도 귤밭 등에서 이러한 텔로미어 DNA 진화가 일어난 선형동물을 채집했으며, 특히 국내 선형동물을 대상으로 고도화된 염기서열 기법을 적용시키는 게놈 프로젝트(genome project)를 진행했다. 이를 통해 이들의 고품질 유전체 지도를 확보하는데 성공했으며, 이를 통해 실제로 텔로미어 DNA를 A 타입(TTAGAC)으로 지니는 선형동물이 이를 G 타입(TTAGGC)으로 지니는 조상에서 진화했음을 규명했다. 

이를 통해 고품질 유전체 지도에는 텔로미어 DNA가 진화하는 과정에서 쓰였을 화석과 같은 증거가 다양하게 존재하고 있음을 확인했으며, 특히 텔로미어 DNA가 온전하게 바뀌기 전부터 훨씬 투박한 형태지만 비슷하게 생긴 유사 텔로미어 DNA가 활용되고 있었을 가능성을 확인했다. 이러한 결과는 마치 뗀석기 도끼를 개발하고 난 뒤 소재를 철로 바꾸고 가다듬어 더 완성된 도끼를 활용하게 된 것처럼, 투박한 형태의 유사 텔로미어 DNA가 쓰이다가 점차 완성된 형태의 텔로미어 DNA로 대체되었을 가능성을 시사한다. 

이러한 결과는 텔로미어의 진화라는 쉽게 관찰하기 어려운 고대의 진화 현상을 동물의 게놈 프로젝트를 통해 엄밀하게 밝힌 최초의 연구로 유전체 분야에서 세계 최고 수준의 학술지인 Genome Research에 발표됐다. 

논문 링크: https://genome.cshlp.org/content/early/2023/11/20/gr.278124.123