행동 차이 설명해주는 유전자 차이를 찾아서 -선충과 개미 연구

‘히치하이킹’ 꼬마선충 춤사위 습성 관련 유전인자 밝혀

‘사회성 곤충’ 개미 후각 유전자 변이 때 사회행동 변화


  +   일문일답 이준호 서울대 교수


elegans_HW-N2-illust.jpg » 닉테이션 행동을 잘 하는 영국산 예쁜꼬마선충에는 파이RNA가 풍부하다. 이준호 교수 연구실의 대학원생 임현수씨가 논문의 주요 내용을 쉽게 보여주고자 그린 그림. 출처/ 임현수


이 팍팍해지면 작은 벌레 ‘예쁜꼬마선충’의 알은 성장하다가 독특한 애벌레 단계에 빠져든다. 생장을 멈추고서 먹이 없이도 고난을 견디는 이 애벌레는 ‘다우어(Dauer)’라고도 불리는데, 이때 다우어 유충은 간혹 몸을 곧추 세우고선 흔들어대는 춤을 추곤 한다. 이런 춤은 다른 동물의 몸에 올라타 새로운 생활 터전으로 옮아가려는 일종의 ‘히치하이킹’ 행동으로 알려져 있다.


‘닉테이션(nictation)’이라 불리는 이런 춤추는 행동 습성을 오래 연구해온 서울대 이준호 교수 연구진은 최근 닉테이션 행동이 서로 떨어져 사는 꼬마선충 종족들마다 다르며 이런 차이가 특정한 유전 인자의 차이에서 비롯하는 것으로 나타났다는 새로운 연구결과를 내놓았다. 연구결과는 과학저널 <네이처 커뮤니케이션스>에 실렸다 (제1저자 이대한 박사후연구원, 현재 노스웨스턴대학 연구원).


00elegans1.jpg » 닉테이션 춤을 추는 다우어 유충(가운데 실 모양). 출처/ 이대한 촬영

elegans2.jpg » 일부 예쁜꼬마선충은 점프 행동도 한다. 숙주의 몸에 달라붙기 위해 활용되는 닉테이션 행동과 점프. 출처/ Wormatlas


연구진은 서식지가 서로 다른 예쁜꼬마선충들의 행동 차이를 살피다가 닉테이션 행동을 잘 하는 영국산 꼬마선충과 잘 하지 못하는 하와이산 꼬마선충을 대상으로 그 행동의 기반이 되는 유전적인 차이를 분석했다. 연구진은 “이들의 행동 차이에 대한 유전적 분석을 통해, 놀랍게도 꼬마 아르엔에이(RNA)의 한 종류인 파이RNA가 행동 변이를 조절한다는 것을 처음 확인했다”고 이 대학 보도자료에서 밝혔다. 파이RNA는 연구진이 찾아낸 ‘닉트-1(nict-1)’이라고 명명된 닉테이션 관련 유전자 부위(genetic locus)에 있는 것으로 파악됐다.


이 유전 인자 덕분에 실제로 꼬마선충이 쥐며느리나 달팽이 같은 다른 동물에 올라타 히치하이킹 할 수 있다는 것이 연구진이 쥐며느리를 이용해 수행한 자연 서식처 모방 실험에서 확인됐다고 연구진은 전했다.


흥미로운 점은 삶터 이동을 돕은 닉테이션을 잘 하게 하는 이런 유전 인자가 늘 좋은 것은 아니며 이것이 활성화할 때엔 다른 유리한 유전적 작동은 약해진다는 것이 이번 연구에서 관찰됐다는 점이다. ‘얻는 것이 있으면 잃는 것도 있다’는 일종의 ‘트레이드 오프(trade off)’ 효과이다.


연구진은 영국산 꼬마선충에서 닉테이션을 잘 하게 하는 이 유전 인자(파이RNA가 있는 nict-1 유전자 좌)가 닉테이션을 잘 하지 않는 하와이산 꼬마선충의 유전체에서 발현할 수 있도록 만들었다. 그랬더니 하와이산 꼬마선충에서 닉테이션과 히치하이킹 능력은 촉진되었으나 그 대신에 생식은 감소하는 효과가 나타났다. 예쁜꼬마선충은 정자와 난자를 한몸에 지니고 있는 자웅동체 동물이다.


책임저자인 이준호 교수는 <사이언스온>과 한 이메일 인터뷰에서 트레이드 오프 효과와 관련해 다음과 같이 말했다.


“이 현상은 사실 유전적 배경에 따라 그 영향이 드러나기도 하고 아니기도 합니다. 즉, 대부분 하와이 종족의 유전적 배경을 가지고 있는 상황에서 nict-1 부분만 영국산으로 교체를 해 주면 이동확산이 늘어나는 대신 후손번식이 줄어드는 현상이 가장 두드러지게 나타납니다. 즉, 하와이 종족의 유전적 배경이 영국산과는 달라서 영국산 nict-1 부위를 받아들이려면 후손번식 부분에서의 손해를 감수해야 하는 것으로 해석이 가능합니다. 만약 그렇지 않고 이동확산과 후손번식이 같이 왕성했다면 아마 하와이 종족은 영국 종족으로 대체되지 않았을까 싶습니다.”


“이 현상은 어떻게 보면 ‘총량 보존’의 법칙을 따르는 것처럼 보입니다. 특정 아이템을 얻으면 무언가 내 놓아야 하는. 항상 일어나는 현상은 아니지만 자주 일어나는 현상 또는 채택되는 현상이라고 생각됩니다. 진화에서도 너무 많은 손해를 감수하면서 새로운 형질을 채택할 수는 없다는 ‘한계’ 가 있다는 것으로 거꾸로 바라볼 수 있지 않을까 생각합니다.”


다음은 논문의 제1저자인 이대한 박사후연구원이 <사이언스온>에 썼던 꼬마선충의 닉테이션 행동에 대한 유전학 연구를 설명하는 친절한 해설이다.

[참조]

굶주리면 춤추는 꼬마선충의 비밀 (이대한 2014. 12. 22)

 http://scienceon.hani.co.kr/224427


번 연구들은 동물의 행동 차이를 관찰하고 그 차이를 세포와 분자 수준에서 규명하려는 행동유전학의 연구 방식을 보여준다. 비슷하게 최근에는 사회성 곤충으로 널리 알려진 개미의 후각 유전자를 변형했더니 후각 능력의 변화는 행동의 변화, 사회성의 변화로 이어졌다는 미국 록펠러대학 등 연구진의 연구결과가 과학저널 <셀(Cell)>발표되기도 했다.


ant.jpg » 클론레이더 개미 종의 더듬이에는 많은 구멍들이 있는 털들이 있어 페로몬 냄새를 정교하게 감지할 수 있다. 이 개미의 후각 수용체 유전자를 변형하니, 사회성 행동에도 변화가 생겨났다. 출처/ 미국 록펠러대학 이 대학의 뉴스 보도를 보면, 연구진은 곤충들의 의사소통 물질인 페로몬을 감지하는 데 필수적인 후각 수용체 유전자의 기능을 없앤 최초의 유전자변형 개미를 만들어, 후각과 사회성 행동 간의 관계를 관찰하는 실험을 벌였다. 이 연구에서 비교적 복잡한 사회적 행동을 보여주는 개미종인 클론레이더 개미(clonal raidar ant, Ooceraea biroi)에서 페로몬 중 특정 성분 신호를 감지하지 못하게 수용체 유전자 기능을 없애자, 이 유전자변형 개미들은 군집 내에서 자라 성체가 된 이후에 개미 대열에서 쉽게 벗어나면서 사회성 행동을 제대로 하지 못하는 것으로 나타났다. 또한 후각 유전자의 변형은 개미의 신경계에도 변형을 일으키는 데 영향을 준 것으로 분석됐다.


이번 연구는 개미가 의사소통하고 서열군집 사회를 이루는 사회성의 진화에서 후각 유전자가 중요한 역할을 하고 있음을 보여주는 것으로 풀이된다. 연구진은 냄새 감지가 다른 종들과 비교해도 개미한테 얼마나 중요한지를 보여준다고 말했다.


이런 연구들은 유전자 차이가 행동 차이를 일으키고 번식과 사회성 차이를 일으킬 수 있음을 보여준다. ‘유전자가 행동을 결정한다’는 유전자 결정론을 경계하면서도 이런 연구의 의미를 어떻게 적절하게 받아들여야 할까?


“유전인자가 행동의 범위를 제한하는 일은 할 수 있는 것 같습니다. 다만 특정 시간과 장소에서 특정 행동이 일어날 것인지를 ‘결정’해 주지는 않을 수 있겠지요. 거꾸로, 어떤 유전인자가 작동하지 않는다면 어떤 행동은 일어나지 않을 수 있게 하는 것도 가능할 거 같습니다. 인간만 가지는 특성 중 가장 중요한 것의 하나인 언어구사 능력은 특정 유전자가 작동하지 않으면 전혀 이루어지지 않는 것처럼요.”



   이메일 일문일답: 선충 논문 책임저자

이준호 서울대 교수(생명과학부)



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이번 연구는 행동 변이를 관찰해 거기에서 계통을 찾아내고, 이것을 바탕으로 행동 변이를 일으키는 유전적 요인을 추적한 연구 같아 보입니다. 이렇게 이해해도 될 런지요?

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  “네. 그렇습니다. 다만 ‘계통’이라는 표현에 대해 제가 자신이 없습니다. 부연해서 설명 드리면, 자연적으로 존재하는 변이들(무작위적인 돌연변이들이 환경에 따라 다르게 선택된 결과이거나 정말로 무작위적이거나)을 지닌 서로 다른 꼬마선충 종족들(종은 같으나 조금씩 유전적 변이가 쌓여 있는, 사람으로 치면 인종의 차이 정도이겠지요?)이 많은데, 그 중에서 하와이 태생 꼬마선충과 영국 태생 꼬마선충을 자세히 비교하여 유전적 요인을 추적한 것입니다.”



이 논문에 등장하는 유전자와 조절인자는 nict-1과 파이RNA인지요? nict-1 유전자는 이번에 처음 찾아낸 것인지요? 파이RNA에서는 새로운 기능이 처음 규명된 것인지요?

  “nict-1은 유전자 좌(genetic locus)라고 보시면 되겠습니다. '유전자'라고 하면 특정 산물을 만들 수 있는 DNA 서열을 의미한다고 정의를 할 수 있다면, '유전자 좌'는 DNA 서열을 염두에 두지 않고 '유전학적'으로 특정 형질을 나타내게 하는 염색체 부위 정도라고 보시면 됩니다. 그러니까 아직 정확히 유전자 단위까지 식별되지 않았다는 의미가 정확히 맞습니다. nict-1 유전자 좌는 현재까지는 약 75 kb(킬로 베이스) 범위 정도로 좁혀 두었고 그 안에 여러 유전자가 있고 파이RNA 유전자들도 있는 것입니다. 파이RNA 유전자는 그 수가 너무 많아서 어느 하나로 특정할 수 없어서, 파이RNA를 만들지 못하는 돌연변이를 조사하여 비슷한 형질을 나타낸다는 결과를 보여 주는 우회 전략을 쓴 것입니다.”



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트레이드-오프 효과는 진화에서 어떤 의미가 있는지요?

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   “이 현상은 어떻게 보면 '총량 보존'의 법칙을 따르는 것처럼 보입니다. 특정 아이템을 얻으면 무언가 내 놓아야 하는. 항상 일어나는 현상은 아니지만 자주 일어나는 현상 또는 채택되는 현상이라고 생각됩니다. 진화에서도 너무 많은 손해를 감수하면서 새로운 형질을 채택할 수는 없다는 '한계' 가 있다는 것으로 거꾸로 바라볼 수 있지 않을까 생각합니다.”



후손번식과 이동확산이 트레이드-오프의 짝 개념이 되는 이유가 잘 이해되지 않아서요. 이동확산 하면서 후손번식도 왕성할 수 있지 않은지요? 예쁜꼬마선충의 경우에 후손번식에 나서면 이동확산이 줄어야 하고, 이동확산에 나서면 후손번식이 줄어들 수밖에 없는 어떤 생물학적인 이유가 있어 보입니다만.

  “이 현상은 사실 유전적 배경에 따라 그 영향이 드러나기도 하고 아니기도 합니다. 즉, 대부분 하와이 종족의 유전적 배경을 가지고 있는 상황에서 nict-1 부분만 영국산으로 교체를 해 주면 이동확산이 늘어나는 대신 후손번식이 줄어드는 현상이 가장 두드러지게 나타납니다. 즉, 하와이 종족의 유전적 배경이 영국산과는 달라서 영국산 nict-1 부위를 받아들이려면 후손번식 부분에서의 손해를 감수해야 하는 것으로 해석이 가능합니다. 만약 그렇지 않고 이동확산과 후손번식이 같이 왕성했다면 아마 하와이 종족은 영국 종족으로 대체되지 않았을까 싶습니다.

저희 관찰의 결과는 하와이 선충이 닉테이션을 잘 하지 못하는데도 사라지지 않고 있는 이유를 보여 주고 있는 것으로 이해하셔도 좋을 거 같습니다. 영국산 꼬마선충은 닉테이션을 상대적으로 잘 하면서도 후손번식에서 불리하지 않습니다. 이는 nict-1을 제외한 다른 부위 (위에서 제가 유전적 배경이라고 표현한 것과 같은 뜻입니다)가 하와이산과는 다르기 때문이겠지요. 그 '구체적' 원인은 저희도 모르기 때문에 꼭 짚어서 말하지 못합니다.“



행동 변이의 계통 지도를 그리고, 이것을 바탕으로 추적하여 그런 행동 변이를 일으키는 유전적 변이를 찾아내었다는 점이 이번 연구에서 돋보이는 점인지요? 파이RNA의 새로운 기능을 규명했다는 점도 관심 대상이겠지요?

  “자연적으로 존재하는 변이(natural variation)들을 비교하여 계통지도를 그려서 유전적 요인을 찾아가기 위해서는 아주 많은 수의 변이 종족들이 필요합니다. 꼬마선충 분야에서는 현재까지 약 250여 종족이 보고되어 있고 이들을 다 비교해서 계통 지도를 그리면서 유전적 요인을 찾아가는 방법이 있을 수 있고(저희가 이 일도 하고 있습니다), 이번 연구에서는 그와는 조금 다른 방법을 쓴 것입니다. 즉, 종족 비교를 하다가 그 중 특정 두 개의 종족 즉 영국산과 하와이산 (이 둘이 실험에서 가장 보편적으로 쓰이는 꼬마선충들입니다)에서 닉테이션의 정도가 현저히 다르다는 점에 착안하여 이 두 종족을 교배하여 그 자손들 중에서 닉테이션을 잘하는 것들이 어떤 염색체 부위를 공통적으로 가지고 있는가를 찾아가는 방식으로 nict-1 유전자 좌를 좁혀나간 것입니다.”



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결국에 어떤 유전인자의 변이 차이가 개체군 차원에서 행동 차이에도 영향을 끼치며, 그리하여 생존번식에도 영향을 준다고 볼 수 있습니다. 그런데 한편에서는 유전자 차이가 행동의 차이, 그래서 삶의 차이로 이해된다면 유전자 결정론처럼 이해되기도 하는 듯합니다. 사회적인 행동, 생물학적인 행동이 다르다는 점, 그리고 행동 차이를 설명할 때에도 훨씬 더 복잡한 요인이 이야기될 수 있다는 점에서는 다른 이야기도 가능할 듯합니다. 그러면서도 어떤 유전적인 요인에 의해서 행동의 차이가 일어나는 것도 또한 확인할 수 있는 사실입니다. 유전자의 차이와 행동 차이의 관계를 어떻게 이해해야 적절할지요?

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  “그런 해석에 동의합니다. 유전인자가 행동의 범위를 제한하는 일은 할 수 있는 것 같습니다. 다만 특정 시간과 장소에서 특정 행동이 일어날 것인지를 '결정'해 주지는 않을 수 있겠지요. 거꾸로, 어떤 유전인자가 작동하지 않는다면 어떤 행동은 일어나지 않을 수 있게 하는 것도 가능할 거 같습니다. 인간만 가지는 특성 중 가장 중요한 것의 하나인 언어구사 능력은 특정 유전자가 작동하지 않으면 전혀 이루어지지 않는 것처럼요.”


  논문 초록 (예쁜꼬마선충)

히치하이킹(Phoresy)는 어떤 생물종이 이동력이 더 큰 다른 종과 연합하여 더 쉽게 이동·확산할 수 있도록 하는, 쉽게 볼 수 있는 공생의 한 형태다. 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)의 다우어 유충은 쥐며느리나 달팽이 같은 동물과 상호작용 할 수 있게 하는 ‘닉테이션(nictation)’이라는 히치하이킹 행동(phoretic behavior)를 보여준다. 이번 연구에서 우리는 자연에서 서로 떨어져 살아가는 예쁜꼬마선충들이 닉테이션 행동에서 서로 다름을 보여준다. 우리는 양적 행동 분석과 계통 지도 작성 기법을 사용하여, 육상 쥐며느리와 히치하이킹 상호작용을 하게 매개해주는 유전자 좌(nic-1)를 찾아냈다. 유전자 좌 nict-1에는 파이RNA(piRNA)로 불리는 Piwi-인터랙션 꼬마 RNA도 포함되어 있다. 우리는 Piwi Argonaute PRG-1이 닉테이션 조절에 관련되어 있음을 관찰했다. 또한 이 유전자 좌는 자손 생산과 이동확산 간의 트레이드오프(trade off)를 일으키는 바탕이 된다. 실험실 분석에서는 nict-1 유전자 좌의 변이들이 선충과 쥐며느리 간 제휴 방식의 차이와 직접 관련이 있는 것으로 나타났다. 요약하면, 파이RNA가 풍부한 nict-1 유전자 좌는 히치하이킹 상호작용의 기초가 되는 새로운 메커니즘을 보여준다.

오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr     

@한겨레 과학웹진 사이언스온    

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오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

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