6마리의 원숭이 유전체의 텔로미어 간 시퀀싱

시아망(동남아시아 긴팔원숭이), 수마트라오랑우탄, 보르네오오랑우탄, 고릴라, 보노보, 침팬지 등 6종의 유인원에 대한 포괄적인 참조 유전체가 구축되었습니다. 구조적 복잡성으로 인해 이전에는 접근이 어려웠던 유전체 영역이 이제 대부분 밝혀졌습니다.

이 자료는 인간과 유인원의 진화에 대한 새로운 통찰력을 제공하고, 이 종들 사이의 기능적 차이점의 근거를 밝히는 비교 연구에 이미 활용되고 있습니다.

텔로미어-텔로미어 원숭이 유전체 참조가 어떻게 개발되었는지, 그리고 과학자들이 이를 통해 무엇을 배우고 있는지에 대한 보고서가 Nature 4월 9일자에 게재되었습니다.

이 국제 다기관 프로젝트의 선임 연구원 및 교신 저자는 워싱턴대학교 시애틀 의과대학 유전체학과 교수이자 하워드 휴즈 의학연구소 연구원인 에반 E. 아이클러, 펜실베이니아 주립대학교 생물학과의 카테리나 D. 마코바, 미국 국립보건원(NIH) 산하 국립인간유전체연구소의 아담 M. 필리피입니다. 주저자는 아이클러 연구실의 박사후연구원인 동안 유입니다.

아이클러는 "이 원숭이 유전체를 통해 우리 유전체의 모든 염기쌍의 진화적 역사를 재구성할 수 있을 것"이라고 말했습니다.

그는 이 프로젝트를 전 세계 40개 이상의 연구실과 120명 이상의 과학자가 수년간 협력하여 게놈을 조립, 품질 관리, 분석하는 대규모 팀 노력으로 설명했습니다.

이 프로젝트에 참여한 과학자들은 최근의 모든 유전체 어셈블리가 가장 어려운 부분까지 포함하여 99% 이상의 해상도를 가지고 있다고 추정합니다. 이렇게 다듬어진 버전은 이전 유인원 유전체 어셈블리의 시퀀싱 정확도를 크게 향상시켰으며, 최신 인간 유전체 참조의 품질과 유사합니다. 이는 인간 유전체 어셈블리가 항상 더 우수하다는 기존 비교에서 비롯된 일부 편향을 해소합니다.

연구진은 또한 유인원 6마리의 유전체와 인간 4마리의 유전체를 모두 비교하기 위해 10-방향 팬게놈(pangenome)을 구축했습니다. 이 분석에는 종간 그래프도 함께 제시되었습니다.

예를 들어, 최근 연구 결과는 인간과 유인원 사이에 면역 체계, 수명, 뇌 발달 등의 영역에서 유전적 차이가 있음을 보여줍니다. 이러한 지식은 노화, 언어 습득, 신경정신의학, 면역학 등의 분야에서 생물의학적 관련성을 가질 수 있습니다.

인간과 유사한 유인원은 약 550만 년에서 630만 년 전에 침팬지에서 분리되었습니다. 침팬지는 보노보와 함께 현존하는 영장류 중 가장 가까운 친척입니다. 침팬지와 인간은 유전체의 99%를 공유한다는 것이 널리 알려져 있지만, 심층적인 비교를 통해 미묘한 차이를 발견할 수 있습니다. 이는 침팬지와 인간이 더 유사하지 않은 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 두 종의 유전체는 특히 특정 영역에서 일치하지 않습니다.

영장류 조상 계통에서 우리와 가장 가까운 아프리카 유인원은 약 1,060만 년에서 1,090만 년 전에, 오랑우탄은 약 1,820만 년에서 1,960만 년 전에 분화되었습니다. 새로운 유인원 유전체 자료는 유인원 종분화에 관여하는 메커니즘, 즉 기존 종에서 새로운 종이 어떻게 진화하는지를 분석하는 데 유용하며, 다양한 유인원 종의 출현 과정에 대한 기존의 견해에 의문을 제기합니다.

유인원 참조 유전체에 대한 다른 연구들은 잠재적으로 치료적 의의가 있는 예상치 못한 발견으로 이어졌습니다. 예를 들어, 보노보에서 훨씬 작지만 완전히 기능하는 중심체(세포 분열 조절에 관여)의 진화는 질병을 치료하거나 예방하기 위해 유전 정보를 인간 세포로 전달하는 간소화된 인공 염색체를 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.

유인원 유전체에 대한 추가 분석을 통해 과학자들은 각 영장류 종에서 가장 빠르게 진화하는 영역을 체계적으로 파악하기 위해 노력했습니다. 이 영역들은 특정 종에만 존재하는 새로운 유전자의 출현과 관련된 돌연변이 속도가 빠른 영역입니다.

구조적으로 가장 다양하고 유전자가 풍부한 영역 중 하나는 주조직적합성 복합체(MHC)입니다. 이는 신체 면역 체계가 무해한 자기 자신과 잠재적으로 유해한 침입자를 구별할 수 있도록 하는 세포 표면 단백질을 암호화하는 거대한 유전자 군집입니다. 이 영역은 포유류마다 매우 다양합니다. 인간 유전체와 비교했을 때, 이 영역은 오랜 역사를 가진 종 특이적 차이가 인간에게만 영향을 미치는 여러 질병을 이해하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있음을 보여줍니다.

연구진은 유인원의 유전적 다양성을 조사하면서 적응을 시사하는 유전체적 특징을 찾았습니다. 면역 기능과 외피 형성에 관여하는 부위의 풍부함 외에도, 뇌 발달 및 섭식과 관련된 경로들이 존재합니다. 여기에는 쓴맛을 느끼는 감각 인지, 지방과 기름과 같은 지질의 분해, 그리고 체내 철분 이동이 포함됩니다.

진화 유전체 과학자들이 "조상 빠르게 진화하는 영역(Ancestor Quickly Evolving Regions)"이라고 부르는 영역을 평가한 결과, 인간에게서 이전에 발견된 이러한 유형의 영역이 두 배 이상 발견되었습니다. 일반적으로 이러한 영역은 고도로 반복되는 DNA를 특징으로 하지만, 항상 그런 것은 아닙니다.

그러한 영역의 한 예는 운동 피질에 위치한, 말하기와 관련된 뇌 영역에서 발견되는 뇌세포 유형과 관련된 유전자입니다. 이 유전자는 명금류의 음성 학습 중추에서 역할을 하고 노래 생성을 조절하는 유전자와 유사합니다. 인간은 이 빠르게 진화하는 인간 조상 영역의 중앙에 고유한 유전적 조절 요소를 가지고 있습니다.

인간과 유인원 진화 연구에서 특히 흥미로운 점은 DNA 코드의 반복 부분인 분절 중복(segmental duplication)입니다. 이전의 유전체 시퀀싱 연구는 이러한 영역을 완전히 규명하지 못했습니다. 장독(long-read) 시퀀싱 기술의 발전으로 이러한 영역에 대한 이해가 처음으로 가능해졌습니다.

분절 복제는 유전자 혁신이 발생하는 방식 중 하나입니다. 분절 복제는 염색체 상당 부분의 극적인 재구성을 포함하여 유인원 간의 유전적 변이에 중요한 역할을 하는 것으로 보입니다.

분절 중복은 특정 유형의 염색체의 짧은 팔에서 많이 나타나는데, 이 팔들은 중앙이 아닌 중심에서 떨어져 연결되어 있어 길이가 서로 다릅니다. 이러한 소위 말단 중심 염색체의 예로는 13번, 14번, 15번, 21번, 22번 염색체가 있습니다.

말단중심 염색체는 유인원 종 간의 차이에 기여하는 다른 측면에서도 특이합니다. 다른 염색체와 비교했을 때, 이 말단중심 염색체의 짧은 팔에는 과도한 반복 서열과 재조합이 존재합니다.

연구진은 오랑우탄이 다른 유인원보다 말단 중심 염색체가 더 많다고 설명했습니다. 또한 아프리카 유인원에 비해 체절 중복이 가장 많습니다. 침팬지, 보노보, 고릴라는 인간을 비롯한 다른 영장류보다 체절 중복이 더 많지만, 시아망은 그렇지 않습니다.

연구진은 최초로 중심체 영역의 유전적 서열, 구조, 그리고 진화를 DNA의 기본 구성 요소인 염기쌍 수준에서 연구할 수 있었습니다. 또한 침팬지와 보노보의 중심체 구조와 크기의 차이도 보고했습니다. 보노보와 침팬지는 약 180만 년 전 콩고 강을 경계로 지리적으로 분리되어 각자의 진화 경로를 따라 갈라졌습니다. 보노보의 중심체는 침팬지의 중심체보다 현저히 작지만, 기능은 잘 유지됩니다.

더 일반적으로, 분절 중복 분석을 통해 과학자들은 각 유인원 종에 고유한 계통을 파악할 수 있습니다. 연구자들은 새로운 자료를 활용하여 각 종에 해당하는 분절 중복을 위치와 구성에 따라 분류하려고 노력하고 있습니다.

연구진은 네이처 논문에서 "이제 우리는 유인원 유전체에서 매우 다양하고 이전에는 접근이 불가능했던 영역을 이해할 수 있는 진화적 틀을 갖추게 되었습니다."라고 밝혔습니다. 이러한 연구는 또한 재편되기 쉬운 유전체 구조를 밝혀냅니다.

과학자들은 "분절적 복제 재배열은 종간 차이와 잠재적 유전자 기능화의 더 큰 원인일 수 있다"고 밝혔습니다.

대부분의 진화생물학자들은 인간과 침팬지를 구분하는 차이점은 조절 기원, 즉 고도로 보존된 유전자가 발현되는 위치와 시기에 나타나는 미묘한 차이에 있다고 생각합니다. 유인원 유전체 참고 문헌은 새로운 모델을 제시하고 있습니다.

아이클러는 "우리는 이러한 분절 복제에 내장된 수백 개의 단백질 암호화 유전자를 발견하고 있으며, 이는 각 유인원 종마다 고유합니다."라고 말했습니다. "이 중 일부는 더 큰 뇌와 같이 우리를 인간답게 만드는 변화에 기여하는 것으로 이미 밝혀졌습니다."

새로운 연구 결과에 따르면 원숭이들 사이에는 단백질 인코딩 차이가 훨씬 더 많다는 것이 밝혀졌습니다.

체절적 복제 재배열에 대한 더 많은 정보를 얻는 것은 연구자들이 인간의 특정 상태(예: 발달 지연, 지적 장애 및 자폐증 특성)가 이런 방식으로 형성될 수 있는 새로운 돌연변이에서 어떻게 유래하는지를 알아내는 데 도움이 될 수 있습니다.

유인원 유전체 샘플이 거의 완벽하다고 생각하지만, 과학자들은 아직 남아 있는 복잡한 공백을 메우는 등 해야 할 일이 많다고 말했습니다. 또한, 약 15종의 유인원과 아종의 유전체가 아직 분석되어 참고 자료에 추가되어야 합니다.

과학자들은 또한 다른 유인원 종보다 인간에게 유리하게 작용하는 유전자 주석의 편향을 제거하고자 한다고 말합니다. 유전자를 유전체 서열에 매핑하고 기능 유전자를 예측하는 것은 어려운 일입니다. 그럼에도 불구하고, 잠재적으로 중요하지만 연구가 덜 된 유전자들을 무시함으로써 연구가 지연되어 왔습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250409114521.htm