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Research

두 발로 걷는 물고기 ‘작은고슴도치홍어’의 미스터리 밝혀내다!

  • 조회. 160
  • 등록일. 2022.11.15
  • 작성자. 대외협력팀

- 원시 어류 작은고슴도치홍어(Little skate)의 총 유전체를 규명하고, 움직임의 진화에 대한 분자적 기작 제시

- DGIST·서울대·뉴욕대 의대 공동 연구 진행SCI급 저널 게재

 

 DGIST(총장 국양) 뇌과학과 백명인 교수 연구팀이 서울대뉴욕대 의대와 함께 작은고슴도치홍어(Little skate)의 고품질의 전장 유전체를 구축하고, 이를 이용한 비교유전체 분석을 진행했다고 15일 밝혔다.

 작은고슴도치홍어는 어류임에도 불구하고 육상 척추동물과 비슷한 사지 운동 형태, 즉 지느러미를 다리처럼 이용해 걷는 것으로 잘 알려져 있다. 작은고슴도치홍어는 육상 사지동물과 약 47천만 년 전에 공통 조상으로부터 분기한 것으로 추정된다. 이전 연구를 통해 작은고슴도치홍어와 사지동물의 보행에 관여하는 운동신경회로가 유사하다는 것은 알려져 있었지만, 작은고슴도치홍어의 고품질 전장 유전체가 없어 어떻게 이런 운동신경회로가 진화했는지 분자적 기작을 연구 하기는 힘들었다.

 이에 본 연구팀은 최신 유전체 분석 기술을 이용하여 고품질의 작은고슴도치홍어 전장 유전체를 구축했다. 새롭게 구축된 작은고슴도치홍어의 전장 유전체의 크기는 2.13기가바이트로 예측된 유전체 크기의 93%에 달하며, 단백질을 암호화하는 17,230개의 유전자를 포함하는 고품질의 전장 유전체이다.

 나아가 연구팀은 육상 동물과 비교 분석을 수행했다. 고품질의 작은고슴도치홍어 전장 유전체를 이용하여 작은고슴도치홍어와 사지동물 운동신경세포의 전사체 비교 분석을 진행했고, 이를 통해 운동신경세포에서 공통으로 발현되는 유전자 및 차별적으로 발현되는 유전자를 발견했다.

 작은고슴도치홍어는 10개의 근육이 지느러미 보행 운동에 관여하는 데 반해 사지동물은 50개의 근육이 사지를 움직이는데 관여한다. 연구팀은 두 종의 비교를 통해 어떻게 단순한 보행 형태와 육상 사지동물에서 보이는 정교한 움직임이 진화과정에서 출현했는지에 대한 분자적 기작을 제시했다.

 이번 연구는 DGIST 뇌과학과 백명인 교수 주도로 서울대 및 뉴욕대 의대 연구팀과 공동 진행한 것으로, 비교생물학, 유전체학 및 신경생물학 분야의 전문 연구 역량을 결집하여 보행 관련 운동신경회로 진화의 분자적 기작을 제시했다는 점에 의의가 있다.

 뇌과학과 백명인 교수는 보행에도 단순한 형태의 보행과 정교한 형태의 보행이 있는데, 이들이 오랜 진화 과정에서 어떻게 발생했는지에 대한 분자적 기작을 제시하는 획기적인 발견이다라고 말했다.

 한편, 이번 연구는 DGIST 뇌과학과의 백명인 교수, 박준희 학생이 주도적으로 참여했으며 한국연구재단(보호연구: NGS 데이터를 이용한 운동신경회로의 진화 기전 연구)의 연구지원을 받아 수행되었다. 또한, SCI급 저널 ‘eLife(상위 7.98%)’1026일 게재됐다.

 

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연구결과개요

Little skate genome provides insights into genetic programs essential for limb based locomotion

DongAhn Yoo, Junhee Park, Chul Lee, Injun Song, Young Ho Lee, Tery Yun, Hyemin Lee, Adriana Heguy, Jae Yong Han, Jeremy S Dasen, Heebal Kim, Myungin Baek

(eLife, on-line published on 26th October, 2022)

 

연골 어류인 작은고슴도치홍어(Little skate, Leucoraja erinacea)는 사지동물과 공통의 조상에서 약 47천만 년 전쯤에 분화된 것으로 추정이 됨에도 불구하고, 사지동물의 보행과 유사한 행동을 보인다. 본 연구팀은 이전 연구에서(Cell, 2018) 이런 홍어의 운동신경회로가 사지동물의 보행운동 신경회로와 유사함을 발견했다. 하지만 운동신경회로의 분자적 진화 기작에 대한 연구는 이루어지지 않고 있었다. 가장 주된 이유는 분자적 기작 분석에 필수적인 고품질의 전장 유전체의 부재를 들 수 있다. 본 연구에서는 최신 유전체 시퀀싱 및 분석 기법을 이용하여 기존보다 월등히 향상된 전장 유전체를 구축할 수 있었다.

고품질의 홍어 전장 유전체를 이용하여 홍어와 사지동물 운동신경세포의 전사체 비교 분석을 진행하였고, 이를 통해 운동신경세포에서 공통으로 발현되는 유전자 및 차별적으로 발현되는 유전자를 발견하였다. 이들 유전자의 발현 조절 기작을 규명하기 위해 에피지놈(ATAC-seq) 분석을 수행하였고, 이 분석을 통해서 비교적 단순한 보행을 보이는 홍어의 운동신경세포에서 보다 정교한 손·발 움직임을 보이는 생쥐의 운동신경세포에서의 유전자 조절 기작이 훨씬 세밀하게 이루어질 것임을 예측했다.

본 연구는 진화과정에서 분리된 종들의 공통적 또는 개별적인 운동신경세포의 분자적 발생 조절 기작을 제시하고 있다. 세밀한 유전자 발현 조절 기작은 사지동물의 정교한 손·발 움직임에 필요한 운동신경회로의 분자적 진화 기작 중의 하나일 것으로 추정된다.

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존의 작은고슴도치홍어 전장 유전체 크기 대비 36.5% 증가한 2.13 Gb 로 새롭게 구축된 유전체에서 단백질을 암호화 하는 유전자 17,230 개를 확인 하였다. 새롭게 구축한 고품질의 전장 유전체를 이용하여 육상 사지동물과 작은고슴도치홍어의 후성유전학 비교 분석을 통해 운동신경세포의 분자적 발생 조절 기작을 제시 하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

이번 연구에서 구축한 고품질의 작은고슴도치홍어 전장 유전체를 이용하여 기존에 할 수 없었던 분자적 조절 기작 연구가 진행 될 것으로 기대한다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

ChIP sequencing Hi-C sequencing 등을 통해 운동신경회로의 발생 및 조절 기작을 실질적으로 증명하면 stem cell therapy를 이용한 운동신경세포 생성에 필요한 분자적 기작을 제공할 수 있다. 운동신경회로의 실질적인 조절 기작 증명과 stem cell therapy에 적용 가능성 확인 그리고 실제 생체 내에서 치료 효과를 보이는지 확인이 필요하기 때문에 상당한 시간이 소요 될 것으로 예상된다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

작은고슴도치홍어는 47천만 년 전쯤에 육상 사지동물과 공통조상에서 분기 되었지만 흥미롭게도 배지느러미를 이용하여 사지동물과 유사한 보행 운동을 보인다. 보행 운동이 겉보기에 비슷할 뿐만 아니라 신경회로도 비슷하다는 것을 이전 연구에서 확인하였다. 작은고슴도치홍어의 전장 유전체를 구축을 통해 운동신경회로의 발생 진화 기작을 밝히기 위해 시작하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

작은고슴도치홍어의 지느러미 운동에 관여하는 근육의 수는 10개 이고 생쥐에서 다리를 움직이는 근육의 수는 50여개 이다. 운동의 형태와 근육의 수가 다양해지는데 필요한 유전적 기작이 잘 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 작은고슴도치홍어의 보행과 생쥐의 보행에 관여하는 유전자 조절 기작이 보다 세밀하게 이루어지고 있음을 제시 하였다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

동물이 보이는 다양한 움직임과 그 안에서 보이는 운동신경세포의 다양성 그리고 운동신경세포 또는 근육의 활성을 조절하는 신경회로의 다양성을 규명하고 싶다.


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그림설명
[그림 1] 작은고슴도치홍어의 유전체 assembly

본 연구에서 구축한 작은고슴도치홍어의 유전체 assembly.


[그림 2] 각 종의 운동신경세포에서 과발현되는 유전자

작은고슴도치홍어 지느러미, 생쥐와 닭의 앞다리 운동신경세포에서 과발현되는 상위 70% 유전자들을 벤다이어그램(Venn diagram)과 히트맵(heatmap)으로 나타냈다. 대다수의(1,038개) 공통 발현 유전자와 소수의 종 특이적 운동신경세포 발현 유전자를 확인하였다.

[그림 3] 전사 인자 모티프 (transcription factor motif) 예측

 

(A) 생쥐와 작은고슴도치홍어의 손발/지느러미 운동신경세포에서 높게 발현되는 유전자의 발현 조절에 관여 하는 것으로 예측되는 전사 인자들의 개수
(B) 생쥐와 작은고슴도치홍어 운동신경세포의 각 유전자 영역에서 이들 유전자의 발현 조절에 관여 할 것으로 예측된 공통된 14개 유전자의 전사 인자의 모티프 개수. 작은고슴도치홍어에 비해 생쥐에서 전사 인자들이 운동신경세포에서 발현되는 유전자에 더 다양한 방식으로 결합하여 유전자들의 발현을 정교하게 조절할 것으로 예측된다. 

 

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