과학자들은 진화의 핵심 메커니즘을 밝혀냈습니다: 전체 게놈 복제가 장기적 적응을 촉진한다

때로는 가장 중요한 과학적 발견은 우연히 일어나기도 합니다.

과학자들은 전체 유전체 복제(WGD)가 진화에서 중요한 역할을 한다는 사실을 오랫동안 알고 있었습니다. WGD는 유기체가 모든 유전 물질을 복제하는 과정입니다. 하지만 WGD가 어떻게 발생하고 지속되며 적응을 촉진하는지에 대한 이해는 여전히 부족합니다.

예상치 못한 방향으로, 조지아 공대의 과학자들은 WGD가 어떻게 발생하는지뿐만 아니라, 실험실에서 수천 세대에 걸친 진화 과정에서 WGD가 어떻게 안정적으로 유지되는지 밝혀냈습니다.

이번 연구는 생물학부 교수인 윌리엄 래트클리프와, 래트클리프 연구실의 전 박사과정 학생이자 현재 보스턴대학교 박사후 연구원인 카이 통이 주도했습니다.

"장기 다세포 진화 실험에서의 게놈 복제"라는 제목의 논문은 3월에 Nature 저널의 표지 기사로 게재되었습니다.

"우리는 유기체가 다세포성으로 전환하는 방법을 탐구하기 시작했지만, 이 과정에서 WGD의 역할을 발견한 것은 완전히 우연이었습니다."라고 Ratcliff는 말했습니다. "이 연구는 WGD가 어떻게 출현하고, 장기간 지속되고, 진화적 혁신을 촉진할 수 있는지에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다. 정말 신나는 일입니다."

데이터 속에 숨겨진 비밀

2018년, 래트클리프의 연구실은 개방형 다세포 진화를 탐구하는 실험을 시작했습니다. 다세포 장기 진화 실험(MuLTEE)은 "눈송이" 효모( Saccharomyces cerevisiae )를 매개체로 사용하여 단일 세포에서 점점 더 복잡한 다세포 유기체로 진화시킵니다. 연구자들은 매일 더 큰 크기의 효모 세포를 선택하여 이를 수행합니다.

통은 "이러한 장기 진화 연구는 유기체가 어떻게 적응하고 진화하는지에 대한 큰 질문에 답하는 데 도움이 됩니다."라고 말했습니다. "이 연구는 종종 예상치 못한 것을 드러내고 진화 과정에 대한 이해를 확장합니다."

Ratcliff 연구실의 연구 교수인 Ozan Bozdag가 눈송이 효모에서 특이한 것을 발견했을 때 정확히 그런 일이 일어났습니다. Bozdag는 효모가 1,000일이 되었을 때 관찰했고, 이배체(염색체 두 세트)에서 사배체(염색체 네 세트)로 바뀌었을 수 있다는 것을 암시하는 특성을 발견했습니다.

수십 년간의 실험실 실험 결과, 사배체는 전형적으로 불안정하여 수백 세대 이내에 이배체로 되돌아간다는 것이 밝혀졌습니다. 이러한 이유로 통은 MuLTEE에서 WGD가 발생하여 수천 세대 동안 지속되었다는 데 회의적이었습니다. 사실이라면 실험실에서 WGD가 자발적으로 발생하여 지속된 것은 처음입니다.

진화된 효모를 측정한 후, 통은 그들이 MuLTEE의 첫 50일 이내에 매우 일찍 유전체를 복제했다는 것을 발견했습니다. 놀랍게도, 이 4배체 유전체는 1,000일 이상 지속되었고, 실험실 조건에서 WGD의 일반적인 불안정성에도 불구하고 계속 번성했습니다.

연구팀은 WGD가 효모에 더 크고 긴 세포를 성장시키고 더 큰 다세포 클러스터를 형성하는 데 즉각적인 이점을 제공하기 때문에 발생하고 지속되었다는 것을 발견했는데, 이는 MuLTEE의 크기 선택에서 선호됩니다.

추가 실험 결과 눈송이 효모의 WGD는 일반적으로 불안정하지만 MuLTEE에서는 더 크고 다세포인 클러스터가 생존에 유리하기 때문에 지속되었습니다. 이러한 안정성 덕분에 효모는 유전적 변화를 겪을 수 있었고, 이수성(비정상적인 수의 염색체를 갖는 상태)이 다세포성 발달에 중요한 역할을 했습니다. 그 결과 MuLTEE는 가장 오랫동안 진행된 다배수성 진화 실험이 되었고, 유전체 복제가 생물학적 복잡성에 어떻게 기여하는지에 대한 새로운 통찰력을 제공했습니다.

MuLTEE의 재능을 가진 팀

Ratcliff는 엄격한 학부 연구가 예상치 못한 돌파구에서 중요한 역할을 했다고 강조했습니다. 4명의 학부생이 실험의 성공에 필수적이었으며, Georgia Tech에서 교육을 받는 동안 일찍 연구에 참여했습니다.

"이런 종류의 진정한 연구 경험은 우리 학생들에게 삶을 바꾸고 직업을 바꿔놓을 것입니다." 래트클리프가 말했다. "이 수준의 학습은 교실에서는 얻을 수 없습니다."

1학년으로 Ratcliff의 연구실에 합류하여 2022년에 졸업한 Vivian Cheng은 다른 학생과 함께 2배체와 4배체 효모 균주를 유전공학적으로 조작하는 과제를 맡았습니다. Ratcliff와 Tong은 결국 이 균주를 분석의 주요 부분으로 사용했습니다.

"이 연구는 다세포성의 진화에 기여하는 다양한 요인을 이해하기 위한 또 다른 단계입니다." 현재 일리노이 대학교 어바나-샴페인에서 박사 학위를 준비하고 있는 청은 말했습니다. "이 단일 배수체 수준이 이 효모 세포에서 선택에 어떤 영향을 미치는지 보는 것은 정말 멋진 일입니다."

Ratcliff는 그의 팀의 가장 중요한 발견 중 일부는 MuLTEE를 시작했을 때 결코 예상할 수 없었을 것이라고 말합니다. 하지만 그것이 요점이라고 그는 말합니다.

"이러한 실험에서 가장 광범위한 결과는 종종 우리가 연구하려고 하지 않았지만 예상치 못하게 나타난 것입니다."라고 그는 덧붙였습니다. "그것은 우리가 가능하다고 생각하는 것의 경계를 넓힙니다." 그와 조교수 제임스 스트라우드는 같은 Nature 호에 게재된 진화 생물학의 장기 실험에 대한 리뷰에서 이 주제를 확장했습니다.

이 발견은 전체 게놈 복제의 진화적 역학에 새로운 빛을 비추고 이러한 유전적 사건의 결과를 탐구할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다. 진화 생물학에서 미래의 발견을 촉진할 잠재력을 지닌 이 연구는 단기 및 장기적 규모에서 생명이 어떻게 진화하는지 이해하는 데 중요한 단계를 나타냅니다.

통은 "과학적 진보는 거의 직선적인 여정이 아닙니다."라고 말했습니다. "대신, 그것은 다양한 상호 연결된 경로를 따라 펼쳐지며 종종 놀라운 방식으로 함께 모입니다. 가장 스릴 넘치는 발견이 이루어지는 것은 바로 이러한 교차로에서입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250326221649.htm