언뜻 보면 지중해에 서식하는 가시 불가사리와 영국 제도의 차가운 바닷물에 사는 가시 불가사리는 큰 차이 없이 같은 종처럼 보입니다. 그러나 유전체 분석 결과는 다릅니다. 한 연구팀은 이들 개체에서 염색체 역위 , 즉 일부 개체에서 염색체 조각이 거꾸로 뒤집힌 형태로 나타나는 현상이 비정상적으로 많이 발견된다는 사실을 밝혀냈습니다 .
이러한 유전적 변형은 가시불가사리(Marthasterias glacialis) 게놈의 18,6%에 영향을 미치며 다양한 환경 조건과 연관이 있는 것으로 나타났습니다 . 이번 연구 결과는 게놈 구조가 해양 생물이 다양한 환경에 적응하는 능력에 특히 중요한 역할을 할 수 있음을 시사합니다.
환경 관련 염색체 역위
도냐나 생물학 연구소(EBD-CSIC)와 바르셀로나 대학교가 주도한 이번 연구는 북대서양 북동부와 서부 지중해의 여러 지역에서 채집된 약 300점의 표본을 분석했습니다 . 도냐나 생물학 연구소의 연구원인 카를로스 레이바는 "가장 흥미로운 발견은 이러한 역위 변이가 연구 대상 개체군에 무작위로 분포하는 것이 아니라 서로 다른 지리적 지역과 연관되어 나타난다는 점입니다."라고 설명합니다. "많은 변이가 지중해와 같은 따뜻하고 염분이 높은 지역에서 더 자주 나타나는 반면, 다른 변이는 영국 제도와 같은 추운 지역과 연관되어 있는 것으로 보입니다." 이러한 역위 영역 내에서는 열 스트레스 반응, 삼투압 조절, 면역 반응 및 환경 인지와 관련된 유전자가 발견되었습니다. 그러나 연구진은 이러한 관계가 실험 연구를 통해 검증될 필요가 있다고 강조합니다. 어쨌든 이번 연구 결과는 DNA의 점 돌연변이 외에도 유전체 구조가 종이 다양한 환경에 적응하는 방식을 이해하는 데 특히 중요할 수 있음을 시사합니다. 이 메커니즘은 특히 가시불가사리에게 중요할 수 있는데, 이 종은 매우 다른 환경 조건에 서식함에도 불구하고 개체군 간에 높은 수준의 연결성을 유지하기 때문입니다.
지역적 적응을 보존하는 메커니즘
이번 연구 결과는 많은 해양 생물에서 흔히 나타나는 현상, 즉 유충의 장거리 이동성 때문에 특히 주목할 만합니다 . 성체 불가사리는 이동성이 제한적이지만, 유충은 해류를 타고 수백 킬로미터를 이동할 수 있습니다. 이러한 이동은 유전자 교환을 촉진하고 개체군 간의 지속적인 혼합을 유도합니다. 이론적으로 이러한 높은 상호 연결성은 지역 간 유의미한 적응적 차이가 나타나는 것을 막아야 합니다. 그러나 이번 연구는 유전체의 특정 영역이 이러한 유전자 혼합에서 벗어날 수 있음을 보여줍니다. 특정 영역은 유전체의 다른 부분보다 재조합, 즉 "혼합"이 훨씬 적게 일어나 개체군 간에 고유한 특성을 유지할 수 있습니다. 바르셀로나 대학교의 박사 과정 연구원인 마르타 마르틴 후에테는 "이러한 영역은 함께 유전되는 구성 요소 역할을 하여 온도나 염도 차이와 같은 특정 환경 조건에서 생존하는 데 유리한 유전자 조합을 보존합니다."라고 설명합니다. 이러한 방식으로, 염색체 역위는 개체군 간에 상당한 유전자 교환이 있더라도 특정 환경에 유리한 특정 유전적 조합이 함께 유지될 수 있도록 하는 일종의 메커니즘으로 기능할 수 있습니다.
대서양과 지중해에서 약 300마리의 불가사리를 연구했습니다.
종의 유전체에 숨겨진 차이가 존재하는지 확인하기 위해, 연구팀은 북동 대서양과 서부 지중해 19개 지역에서 채집한 마르타스테리아스 글라시알리스(Marthasterias glacialis) 약 300개 표본을 분석했습니다. 표본은 영국 제도, 아조레스 제도, 유럽 대서양 연안, 지중해 등 다양한 지역에서 수집되어, 매우 다른 환경 조건에 노출된 개체군들을 비교할 수 있었습니다. 연구팀은 유전체 전체에 분포된 수천 개의 마커를 분석하고, 이를 해당 종의 참조 유전체와 비교했습니다. 이 방법을 통해 염색체 역위가 나타나는 영역을 식별하고, 이러한 역위가 서로 다른 개체군에 어떻게 분포하는지 연구할 수 있었습니다. 또한, 유전 데이터와 온도 및 염도와 같은 환경 정보를 결합하여 염색체 역위가 지역 적응 과정과 관련이 있는지 탐색했습니다. 그 결과는 특히 놀라웠습니다. 유전체의 18,6%가 이러한 구조적 변이를 나타냈는데, 이는 염색체 역위가 분석 대상 개체군을 구분하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 시사하는 높은 비율입니다.
해양 생물 다양성 보존에 대한 시사점
이 연구는 광범위하게 분포하고 서로 연결되어 겉보기에는 동질적인 개체군을 가진 종조차도 유전체 내에 상당한 적응 다양성을 지니고 있을 수 있음 을 밝혀냈습니다 . 이러한 발견은 해양 생물 다양성 보존에 중요한 의미를 갖는데, 동일 종의 서로 다른 개체군은 해수 온도 상승이나 염분 변화와 같은 현상에 각기 다른 반응을 보일 수 있기 때문입니다. 이러한 유전적 다양성을 이해하는 것은 기후 변화 맥락에서 특히 중요합니다. 종의 온도 및 기타 환경 조건 변화에 대한 반응 능력이 종의 생존과 미래 분포를 결정할 수 있기 때문입니다. 더욱이, 이 연구 결과는 해양 생물 다양성 진화를 이끄는 메커니즘에 대한 새로운 관점을 제시합니다. 이 연구는 유전체 구조의 변화가 종의 적응을 촉진하는 데 있어 특정 DNA 차이만큼 중요할 수 있음을 보여줍니다.
기후 변화에 맞서는 모델로서의 가시불가사리
다음 단계는 확인된 염색체 역위가 개체의 생물학적 특성에 실제로 영향을 미치는지 검증하는 것입니다 . 카를로스 레이바는 "이번 결과는 이러한 염색체 역위가 내열성, 염분 변화에 대한 저항성, 성장 또는 번식 능력의 차이와 같은 개체 간의 생물학적 차이로 이어지는지 확인하는 새로운 연구의 길을 열어줍니다."라고 설명합니다. 향후 연구에서 이러한 염색체 역위가 가시불가사리의 내열성 또는 내염분 적응 능력에 적어도 부분적으로 영향을 미치는 것으로 확인된다면, 가시불가사리는 기후 변화로 특징지어지는 해양 환경에 해양 생물이 어떻게 적응하는지 연구하는 모델이 될 수 있습니다. 이처럼 불가사리 연구에서 시작된 연구는 해양 생물이 어떻게 진화하고, 유생의 이동으로 개체군이 연결되어 있음에도 불구하고 어떻게 지역적 적응을 유지하는지 이해하는 새로운 방법을 제시합니다.
스페인-프랑스 공동 연구팀(괌 대학교, 바르셀로나 식물 연구소, 렌 대학교 포함)의 이번 발견은 유전체 구조가 진화의 핵심 요소임을 강조합니다 . 18,6%의 역위를 가진 가시불가사리는 염색체 구조가 어떻게 놀라운 적응 다양성을 숨길 수 있는지 보여주는 대표적인 사례이며, 미래의 해양 생태계가 어떤 도전에 대응할지 예측하는 데 귀중한 단서를 제공합니다.