과학자들은 '이기적' 유전자의 독성을 뒷받침하는 원리를 밝혀냈다

식물, 균류, 심지어 인간을 포함한 거의 모든 종의 유전체에는 유기체에 명확한 이점이 없이 세대를 거쳐 전달되는 유전자가 숨어 있습니다. "이기적" 유전자라고 불리는 이 유전자는 때때로 해롭거나 치명적일 수 있습니다. Stowers Institute for Medical Research의 최근 연구는 이기적 유전자가 종종 유기체의 생식력을 희생하여 다음 세대로 전달되도록 하기 위해 유전을 "속이는" 방법에 대한 새로운 시각을 제공합니다.

연구원 사라 Zanders 박사와 Randal Halfmann 박사의 연구실 간 협업은 단세포 유기체이자 강력한 유전 연구 시스템인 분열 효모에서 이러한 이기적 유전자를 조사했습니다. 이 팀은 광범위하게 변하는 wtf 이기적 유전자 군이 세포에 해를 끼치는 방식에 대한 공통 원리를 발견했으며, 이러한 특성은 많은 생명체에 존재할 가능성이 높습니다. PLoS Genetics 에 게재된 이 연구 결과에 따르면, 이러한 이기적 유전자가 빠르게 진화할 수 있는 능력은 장기적인 진화적 성공에 기여하지만 때로는 자체 파괴로 이어질 수도 있습니다.

이기적 유전자는 생식 중에 자신의 유전을 "주도"하거나 선호함으로써 작동합니다. 가장 극단적인 종류인 킬러 감수 분열 드라이버는 생식 세포를 파괴하는 독성 단백질을 생성합니다. 단, 유전자를 물려받은 유전자는 단백질 "해독제"를 만들어서 구원받습니다.

이 연구는 하나의 wtf 유전자(wtf4)가 어떻게 세대를 거쳐 유전되는지를 설명하는 이전 연구를 확장한 것입니다. Zanders 연구실의 박사 전 연구원인 Ananya Srinivasa Nidamangala가 이끄는 현재 연구는 모든 기능적 wtf 유전자(수백 개가 있음)가 유사한 분자 메커니즘에 의존하는지, 그리고 어떤 단백질 특성이 기능에 필요한지 탐구했습니다.

몇 가지 주요 발견이 나타났습니다. wtf 유전자의 살상 능력은 Wtf 독 단백질이 응집되거나 클러스터를 형성하는 방식에서 유래합니다. 일치하는 해독제도 함께 클러스터링되고 독과 해독제는 발달하는 생식 세포 또는 생식 세포를 구출하기 위해 공동 조립되어야 합니다. 이러한 자가 조립 특성은 신경 퇴행성 질환에 연루된 것과 같은 독성 클러스터를 형성할 수 있는 다른 단백질의 특성과 유사합니다.

"집합체로 자체 조립되는 단백질은 중요한 세포 역할을 하지만 알츠하이머병과 같은 질병과도 관련이 있습니다." Zanders가 말했습니다. "저희의 연구는 기본적인 생물학적 질문에 대한 이해를 높여줍니다. 즉, 어떤 단백질 서열이 응집을 선호하는지, 응집체를 독성이 있거나 없는 것으로 구분하는 것은 무엇인지에 대한 이해입니다."

크기가 중요합니다. 위치도 중요하다

연구팀은 발포성 음료인 콤부차에서 분리한 Schizosaccharomyces kambucha 효모 분리물을 Wtf 단백질 특성을 연구하는 시스템으로 사용했습니다. 단백질은 Halfmann 연구실에서 개발한 응집을 감지하는 기술인 DAmFRET으로 측정했습니다. 연구원들은 모든 기능적 wtf 유전자가 Wtf4 단백질의 자가 조립 기능을 공유한다는 것을 발견했는데, 이는 유전자 서열과 그들이 만드는 단백질의 극심한 가변성을 감안할 때 놀라운 발견이었습니다.

그런 다음 연구자들은 단백질을 독성으로 만드는 요인을 평가했습니다. 그들은 돌연변이 Wtf 독 단백질을 설계하여 응집체 크기와 세포 내 분포를 변경했습니다. 더 큰 클러스터는 더 작은 클러스터보다 독성이 적었고, 세포 내에서 전역적으로 분포되어야 죽일 수 있었습니다.

Zanders는 "저희 연구 결과는 응집과 단백질 국소화가 독성의 주요 요인이라는 것을 강력히 시사합니다."라고 말했습니다.

해독제 단백질은 독성 단백질 덩어리를 세포 버전의 쓰레기통인 액포로 운반하여 분해하고 폐기하는 것으로 알려져 있습니다. 이전에 연구자들은 독-해독제 클러스터가 단순히 고정 장치 역할을 한다고 생각했습니다. 이제 연구자들은 응집체 크기를 늘리고 이를 분리하는 특정 독-해독제 공동 조립이 중화에 필요하다는 것을 발견했습니다. Zanders는 "단순히 단백질을 붙이는 것만으로는 충분하지 않다"고 설명했습니다.

"이 연구는 독성의 근저에 있는 새로운 패러다임을 확인하고 있습니다. 세포 내의 총 크기와 분포가 중요합니다."라고 Halfmann은 말했습니다. "저희 연구실은 단백질이 자가 조립되는 방식, 특히 신경 퇴행성 질환과 관련된 단백질에 초점을 맞춥니다. 효모 감수 분열 구동 유전자의 독-해독제 메커니즘에 대한 저희의 지식과 도구를 적용함으로써 자가 조립 단백질을 독성으로 만드는 요인과 더 중요하게는 해독할 수 있는 방법에 대한 명확한 유사점을 볼 수 있었습니다."

진화적 군비 경쟁

파괴와 구원의 역동적인 상호작용은 효모의 진화적 플롯에 거의 영화적인 터치를 더합니다. wtf 드라이버의 빠른 진화는 1억 년 이상 억제 유전자 요소를 앞지르는 것을 가능하게 했습니다. 그러나 연구자들은 돌연변이가 자연에서 발생할 수 있으며 실제로 발생하여 유전자를 지닌 유기체의 생식력을 완전히 파괴하는 "자살" 유전자 사본을 생성합니다.

"우리는 미친 듯이 다른 Wtf 단백질 서열이 모두 어떻게든 응집체를 만들 수 있다는 것을 보여줍니다. 진화는 효과가 있는 것에 따라 진행되며, 이 효율적인 살해 작업은 효과가 있습니다." Zanders가 말했습니다. "저에게 놀라운 것은 이 매우 다른 단백질이 모두 어떻게 같은 작업을 수행하는지입니다. 이는 우리가 앞으로도 계속 탐구할 것입니다."

"빠른 게놈 진화의 주요 동인은 유전적 갈등입니다." Zanders가 추가로 설명했습니다. "wtf 유전자가 도입한 갈등을 이해하면 분열 효모 게놈 진화에 대한 조명이 비추어지지만, 유사한 역학, 유사한 군비 경쟁, 유사한 갈등이 다른 유기체에서도 발생하고 있으며, 우리 자신의 게놈도 형성했습니다. 이 연구는 단백질 응집이 불임, 진화, 질병에 어떤 영향을 미치는지에 대한 미래 연구의 문을 엽니다."

추가 저자로는 Samuel Campbell, Shriram Venkatesan 박사, Nicole Nuckolls 박사, Jeffery Lange 박사가 있습니다.

이 연구는 국립보건원(NIH)의 국립일반의학연구소(수상: R35 GM151982-01, DP2 GM132936), NIH의 유니스 케네디 슈라이버 국립아동건강인간발달연구소(수상: F31HD097974)의 자금 지원을 받았으며, Stowers 의학연구소의 기관 지원을 받았습니다. 이 내용은 전적으로 저자의 책임이며 반드시 NIH의 공식 견해를 나타내는 것은 아닙니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250318141249.htm