유전체가 작아지는 이유는 하나가 아니다

세균과 고세균의 유전체 크기는 같은 진화 규칙만으로 설명하기 어렵다는 비교유전체 연구 결과가 나왔다. PNAS에 발표된 이번 연구에서 세균은 대체로 유전체가 클수록 선택 제약이 강했지만, 분석한 고세균 군집에서는 반대 관계가 관찰됐다. 연구진은 각각 기능 다양화와 유전체 간소화에 부합하는 패턴으로 해석했다.

원핵생물 유전체의 진화에는 여러 힘이 작용한다. 간소화를 선호하는 선택은 작은 유전체를 유지하는 방향으로, 기능 다양화를 선호하는 선택은 유전자와 기능의 확장을 뒷받침하는 방향으로 작용할 수 있다. 수평 유전자 전달은 기능 확장에 필요한 유전자를 얻는 경로다. 그러나 작은 유전체가 언제나 강한 간소화 선택의 산물인 것은 아니다. 유효집단 크기가 작은 숙주 연관 미생물에서는 선택의 효율이 낮아지고 유전적 부동과 유전자 결실이 겹치면서 유전체가 축소될 수도 있다.

기존 연구는 유전체 쌍을 비교하거나 여러 계통의 값을 평균하는 방식에 주로 의존했다. 이런 접근으로는 계통 간 차이와 유전자별 제약을 충분히 구분하기 어려웠다.

791개 유전체 군집에서 드러난 계통별 차이

연구진은 22,000개 이상 유전체를 포함한 근연 유전체 군집 데이터베이스 ATGC에서 분석을 시작했다. 변이 수 등 품질 기준을 적용한 최종 분석 대상은 세균 772개, 고세균 19개로 구성된 791개 군집이다. 이는 종 수가 아니라 서로 가까운 유전체를 묶은 군집 수다.

선택 제약은 비동의 치환율과 동의 치환율의 비율인 dN/dS를 바탕으로 추정했다. 비동의 치환은 단백질의 아미노산을 바꾸고, 동의 치환은 바꾸지 않는 염기 치환을 뜻한다. 연구진은 계통관계를 고려해 이 비율을 계산한 뒤 계통별·유전자별 성분으로 분해했다. 분석에 사용한 계통별 선택 제약 지표는 dN/dS와 역방향이어서, 값이 클수록 강한 선택 제약을 나타낸다.

세균에서 유전체 크기와 선택 제약의 스피어만 상관계수는 0.28이었다. 큰 유전체일수록 폭넓은 기능을 유지하는 선택이 강하다는 해석과 부합한다. 반면 고세균 19개 군집을 함께 분석한 상관계수는 −0.82로, 작은 유전체에서 선택 제약이 더 강한 간소화 패턴을 보였다. 세균 군집을 19개씩 10,000회 재추출한 분석에서는 고세균만큼 강한 음의 상관관계가 나오지 않았다.

세균 내부도 균일하지는 않았다. 일부 분류군에서는 유의한 관계가 없었고, 바실루스목에서는 간소화와 부합하는 음의 상관관계가 관찰됐다. 세균 전체의 경향을 모든 세균 계통에 적용할 수는 없다는 뜻이다.

계통별 차이의 원인은 남은 과제

이번 결과는 유전체 크기와 선택 제약의 관계가 계통마다 다르다는 근거다. 다만 환경에 따른 인과관계를 실험으로 규명한 연구는 아니다. 세균의 양의 상관관계에는 기능 다양화뿐 아니라 작은 유효집단에서 약한 선택과 유전적 부동이 유전체 축소를 촉진하는 현상도 기여할 수 있다.

연구진은 다양한 생태적 기회를 활용하는 미생물과 안정적이거나 자원이 제한된 환경에 특화된 미생물의 차이를 가능한 설명으로 제시했다. 이는 저자의 가설이며, 세균과 고세균 사이의 대비를 만드는 원인은 아직 규명되지 않았다. 재추출 분석이 표본 수 차이만으로 결과를 설명하기 어렵다는 근거를 제시했지만, 고세균 분석이 19개 군집에 한정됐다는 범위도 함께 고려해야 한다.

후속 연구에서는 더 다양한 계통과 생태 조건에서 이러한 관계가 유지되는지 검증해야 한다. 분석 방법과 결과, 해석의 근거는 PNAS 논문 공개 본문에서 확인할 수 있다.