배경

자연계 곤충은 체내 미생물과 긴밀한 공생 관계를 맺으며 환경 변화에 적응한다. 어미로부터 자손에게 대물림되는 유전성 공생균은 숙주에게 필수 영양소를 공급하거나 천적으로부터 숙주를 지키는 보호막 구실을 톡톡히 해낸다. 숙주 생존과 직결되는 방어 형질은 같은 종 안에서도 집단마다 현격한 편차를 드러낸다. 유전적으로 쏙 빼닮은 공생균을 지닌 곤충 사이에서조차 특정 병원체 저항력이 왜 극과 극으로 갈리는지는 오랜 수수께끼였다.

기존 진화유전학계는 이러한 형질 분화의 원인을 오랜 세월 축적된 염색체 돌연변이나 유전자 재편성에서 찾곤 했다. 하지만 어미를 거쳐 안정되게 이어지는 수직 감염 공생균 특성상, 급격한 형질 다변화를 설명하기에는 역부족이었다. 자연 집단의 가파른 생태 적응과 완만한 염색체 진화 속도 사이의 간극을 규명할 새로운 분자 기전이 요구되던 시점이다.

핵심 발견

미국 에모리대 벤저민 파커(Benjamin J. Parker) 교수 연구진은 완두진딧물(pea aphid)의 통성 공생균(facultative symbiont)인 레기엘라 인섹티콜라(Regiella insecticola) 20개 균주의 고품질 전장 유전체를 비교 분석했다. 분석 결과 공생균의 표현형 분화를 이끄는 주역은 염색체 변이가 아닌 이동성 유전 인자(mobile genetic elements, MGE)의 획득과 소실로 나타났다.

연구진은 곰팡이 병원체인 판도라 네오아피디스(Pandora neoaphidis) 감염을 차단하는 방어 표현형이 특정 플라스미드(plasmid) 유무와 직결된다는 사실에 주목했다. ‘pRILSR1’로 명명된 이 플라스미드는 제4형 분비계(type IV secretion system, T4SS)와 대량 발현되는 예측 이펙터(effector) 단백질 유전자를 품고 있다. 계통 분석에 따르면 pRILSR1은 유전적 거리가 먼 레기엘라 분기군(clade) 사이를 수평 유전자 전달(horizontal gene transfer, HGT)로 넘나들며 전파된 것으로 풀이된다.

인과관계는 배양 실험으로 명쾌하게 입증됐다. pRILSR1 플라스미드를 보유한 균주에서 해당 인자를 인위적으로 제거하자, 곰팡이 감염을 막아내던 저항력이 즉시 자취를 감췄다. 야외 다년 생태 조사 결과도 이를 뒷받침한다. 숙주 식물별 진딧물 집단에서 pRILSR1 보유 빈도가 뚜렷한 격차를 보였으며, 이 수치가 야생 진딧물의 실제 곰팡이 저항성 수준을 오차 없이 예측해 냈다.

의미와 전망

이번 연구는 독립 복제 단위인 플라스미드 하나가 숙주 곤충의 핵심 방어 표현형을 단숨에 바꿀 수 있음을 분자생물학과 생태학 데이터를 아울러 입증해 냈다. 미생물의 수평적 유전자 교환이 생태진화적 시간대에서 숙주 개체군의 환경 적응을 이끄는 핵심 열쇠라는 의미다. 유전체 축소 과정을 겪는 공생 미생물이라도 유동적 유전 인자를 매개로 급변하는 외부 위협에 기민하게 대응할 수 있음을 웅변한다.

이제 학계의 시선은 pRILSR1 플라스미드가 분비하는 이펙터 단백질의 표적으로 쏠린다. 곰팡이 병원체를 무력화하는 정밀 분자 기전을 밝히는 일이 급선무로 꼽힌다. 숙주 진딧물의 고유 면역 체계와 플라스미드 분비 단백질이 어떻게 손을 잡는지 추적하는 작업도 필수적이다. 플라스미드를 유지하는 데 드는 에너지 비용과 야생 환경에서의 적합도 변화를 정량 평가하는 후속 연구가 요구된다.