배경

생명체가 변화하는 환경에 적응하기 위해서는 돌연변이로 새로운 형질을 획득하는 과정이 필수적이다. 그러나 지나치게 많은 돌연변이는 세포의 생존을 위협하고 유전체의 안정성을 망가뜨리는 원인이 된다. 이러한 이유로 생명체는 복제 과정에서 발생하는 오류를 정교하게 수리해 유전 정보를 안전하게 보존하는 기전을 유지해 왔다. 지금까지 과학계는 돌연변이가 유전체 전반에 걸쳐 비교적 균일한 빈도로 발생하거나 무작위로 일어난다고 믿었다. 특히 해양 단세포 조류처럼 진화적으로 오래된 진핵생물의 경우 외래 유전자의 유입을 어떻게 감제하는지 구체적으로 알려진 바가 없었다. 과거의 연구들이 주로 인간을 포함한 포유류나 주요 식물 모델에 치중했기 때문이다. 이로 인해 생태계의 기초 생산자인 미세조류가 바이러스의 잦은 침입에 맞서 어떻게 유전적 무결성을 지키는지에 대한 이해는 오랜 공백으로 남아 있었다.

핵심 발견

미국 에너지부 공동유전체연구소(Joint Genome Institute, JGI)와 프랑스 국립과학연구원(CNRS) 등이 참여한 국제 공동 연구진은 해양 식물플랑크톤인 비겔로위엘라 나탄스(Bigelowiella natans)의 돌연변이 특성을 추적했다. 연구진은 실험실에서 수백 세대에 걸쳐 이 미세조류를 장기 배양하는 방식으로 돌연변이 축적 실험을 진행해 왔다. 이후 차세대 염기서열 분석법으로 핵 유전체의 변화를 관찰하자 뜻밖의 사실이 드러났다. 유전체 전체의 기본 단일 염기 돌연변이율은 세대당 염기쌍당 약 3.5×10^-10으로 매우 낮게 제어되는 상태였다. 하지만 숙주 유전체 안에 결합해 있던 두 개의 특정 바이러스 기원 유전체 영역은 전혀 다른 양상을 보여준다. 이 바이러스 유래 영역의 돌연변이율은 세대당 약 6×10^-7에 달했다. 정상 영역보다 무려 1,700배나 빠른 속도로 돌연변이가 쏟아져 내리는 셈이다. 놀랍게도 이러한 초변이(Hypermutation) 현상은 아무렇게나 발생하지 않는다. 염기서열 중 티민과 아데닌이 연속해서 결합한 특정 이뉴클레오타이드(TpA dinucleotide, 이하 TpA) 위치에서만 집중적으로 관찰됐다. 이 위치의 아데닌과 티민이 시토신과 구아닌으로 변환되는 전이(Transition) 돌연변이가 전체 변이의 대부분을 차지하고 있다. 이는 무작위 오류가 아니라 세포가 정교하게 조절하는 표적 변이 활성이 존재함을 방증한다.

의미와 전망

이번 발견은 인간을 비롯한 척추동물이 외래 바이러스의 침입에 대항하는 분자 기전과 매우 흡사한 면모를 보여준다. 동물세포는 바이러스의 유전 정보를 변형해 기능을 상실시키는 아포벡(APOBEC)이나 에이더(ADAR) 같은 유전체 편집 효소군을 방어 수단으로 삼는다. 척추동물 외의 진핵생물 진화 계통에서도 이와 유사한 원시적 유전체 편집 면역 기전이 보존돼 작동함을 이번 연구가 규명해 낸 셈이다. 이것은 외래 유전자의 위협에 대응해 유전체 무결성을 보호하는 방식이 생명 역사에서 매우 일찍이 등장했음을 뜻한다. 다만 본 연구는 실험실 환경에서 정밀 제어된 미세조류 한 종에 초점을 맞추어 진행된 결과다. 야생 상태의 다채로운 환경에 놓인 다른 원생생물 집단에서도 이와 동일한 현상이 널리 일어나는지는 앞으로 증명해야 할 영역이다. 아울러 초변이 현상이 유도될 때 세포 자체의 에너지 소모나 다른 생리적 부작용이 없는지 규명하는 작업 역시 뒤따라야 마땅하다.