환경적응을 위한 유전자의 변화 #

자라면서 눈의 위치가 한쪽면으로 변화되는 비대칭 물고기 넙치는 바다 밑 바닥 생활에 적합하도록 적극적으로 유전체 정보를 변화 시키며 진화해 왔음이 유전체 시퀀싱을 통해 밝혀졌다.

넙치의 유전체 시퀀싱은 암컷과 수컷 각각 따로 진행되었으며, 이후 암컷의(ZW) 유전체에서 수컷의(ZZ) 유전체 서열을 제외하여 성 염색체 W를 확인하였고, 나머지 microsatallite marker를 이용해 Z염색체를 확인하여 최종 상염색체 20개와 성염색체 2개(ZW)로 구성된 477 Mb (N50 : 867 kb) 유전체 서열을 결정 하였다. 유전체내 21,516개의 유전자를 확인 하였고, 이중 바다 밑 바닥 생활에 적합하도록 변화된 유전자를 다음과 같이 확인 하였다.

1. 빛 자극 및 중력에 대한 반응에 적합하도록 변화된 유전자 ( opsin, rh1, lns1, opn1lw1, rh2)

   약한 빛으로 저서 환경으로의 이동을 수반하는 시각 시스템의 적응을 반영하여 저서 단계에서 더 긴 파장에 대한 향상된 민감도를 위해 opsin, rh1, lns1, opn1lw1 유전자는 저서 단계에서 발현이 높았다. 반면, 렌즈의 투명도와 굴절률을 유지하는 단백질을 코딩하는 2 개의 결정 유전자 (crybb2와 crybb3)와  crystallin 유전자 (cryabb, crygs1 및 crygs3)가 pseudogenes로 진화되면서 시각 시스템이 퇴화됐음을 관찰하였다. 대신 횡 방향 감각 기관 및 종 특유의 감각 기관인 돌기가 발달함을 확인하였다.
   

2. 내부 장기 발달과 기능에 중요한 역할을 하는 유전자 (cp, mep1b, hnf4a, ace2 및 tmem67

3. 피부 및 연골 변화에 기여하는 유전자 (fbn1, cdhr2, pepd 및 itih2)

4. 몸의 변태에 수반되는 유전자 (mgam 및 cpb1)

성별 결정 메커니즘의 또 다른 방향 제시 #

일반적인 진핵생물의 유전체에는 Transposable elements(TEs)가 상당 부분 존재한다. 인간의 경우 전체 유전체의 45%가 TEs 영역이다. 그러나 넙치의 경우 5.85%에 해당하는데, 이는 복어에서 관찰되는 2.7%와 매우 유사함을 보였다. TEs의 경우 유전체의 진화에 매우 큰 기여를 하는 것으로 밝혀져 있다. 종이 분화 될때 유전체의 전체가 복제되는 Whole genome duplication (WGD)와 경골어류에서 수행됐던 modern fish (Teleostei) underwent an additional genome duplication event (TGD)가 주축이 되어 분화가 되는 것으로 알려져 있다. 넙치의 경우 두번의 WGD에 이어 TGD 또한 추가적으로 진행되어 현재의 넙치로 종분화가 됐음을 유연종과의 syntheny 분석을 통해 확인 하였다. 특이한 점은 성 염색체의 경우 조류인 닭의 Z와 W 염색체와 공통조상에서 분기한 것으로 분석 되었다. 또한 분기 이후 W 염색체의 변형이 없이 분기초기의 원시 모습을 그대로 유지하고 있는 것으로 나타나 진화적으로 포유류의 Y와 조류 W 염색체의 조상 연구에 많은 정보를 제공하는데, 그 중 성을 결정짓는 메카니즘에 대한 연구에 많은 정보를 제공하였다.

1. 조류에서 불분명한 성 결정 메커니즘, 넙치의 Z-encoded methanism으로 확인

   고온에 의해 성 역변화률(암컷-> 수컷, 수컷-> 암컷)이 높은 넙치는 이를 연구하는데 매우 유용했으며, 실제 고온에서 ZW (유전적으로 암컷) 성을 갖는 94%의 물고기가 pseudomales로 (수컷) 발전 했다. 확인 결과, 아버지로 부터 받은 Z 염색체의 특정 유전자 자위에 methylation화 되어 있었으며 이 유전자가 성 결정에 남성 발달을 결정하는 Z-encoded mechanism에 중요한 역할을 하는 것으로 확인 됐다.
   

2. 유전적 성 결정 이외에 dmrt1 유전자의 promoter 영역에서의 demethylation에 의한 성결정

   다른 종에서 확인된 성결정 유전자 몇몇을 확인한 결과 dmrt1 유전자에서 특이적으로 methylation에 의한 발현량 조절로 성이 결정됨을 확인하였다. dmrt1 유전자는 Z 염색체에서는 정상적으로 기능을 하는 반면, W 염색체에서는 손상된 복사본으로만 존재 하고 있었다. 이 유전자는 성별 결정 단계에서 미성숙 생식선의 남성 생식 세포와 배아 세포에서 특이 적으로 발현되며 고환 형성 과정에서 높은 수준으로 유지되는 특징을 보이는데, 이러한 패턴은 dmrt1 프로모터 지역의 demethylation에 의해 조절된다. 성 역전 된 ZW 수컷에서 dmrt1의 발현은 정상 발달 ZZ 수컷에서 관찰되는 수준만큼 발현됨을 확인하여 dose dependent한 특징을 확인 하였다.
   

진화 연구 뿐만 아니라 육종을 위한 모계 안정화 연구에 기여하는 넙치 #

넙치와 조류 및 포유류의 성염색체 사이의 공통된 특징은 유전자 재조합을 억제한다는 것이다. 성 염색체 진화에 재조합 억제는 진화적으로 초기 단계에서 진행된 이후 매우 낮은 비율로 진행되고 있다. 따라서 유전적 변형 보다는 성 염색체내 유전자의 발현량에 의한 성별 역행 연구는 육종을 위한 우수 품종 선별을 위한 좋은 모델이 될것으로 기대된다.

Reference #

1. Songlin Chen et al, 2014 Whole-genome sequence of a flatfish provides insights into ZW sex chromosome evolution and adaptation to a benthic lifestyle (http://www.nature.com/ng/journal/v46/n3/full/ng.2890.html)