생명과학과 윤환수 교수 연구팀, 극한 환경에 적응하는 홍조류의 진화적 전략 규명해

- 남색홍조류의 다양한 극한 환경 적응 경로 확인

생명과학과 윤환수 교수(교신저자)와 조충현 박사(제1저자)가 광합성 진핵생물*에서의 극한 환경 적응에서 일어나는 유전체** 진화 과정을 밝혔다고 전했다.

  * 진핵생물: 핵막으로 둘러싸인 핵을 가지며, 세포질 속에 여러 가지 세포 내 소기관을 지니고 있고, 유사 분열을 하는 세포로 이루어진 생물. 세균 및 바이러스를 제외한 모든 생물이 이에 속한다.

  ** 유전체: 한 생물의 생명현상에 필요한 모든 유전자 및 DNA를 포함한 총체적인 유전 정보

남색홍조류(Cyanidiophyceae)는 홍조류(red algae) 중 가장 먼저 분지한 분류군으로, 공동 조상에서 분기해 나타나 화산이나 온천과 같은 극한 환경에 독립적으로 적응하였다. 화산이나 온천은 고온(45-60도) 및 산성(pH 0-4) 환경에 중금속이 풍부해 일반적으로 생물이 살아가기 힘든 환경이다. 남색홍조류는 이러한 극한 환경에서 거의 유일하게 발견되는 진핵생물로, 극한 환경에서 생물이 어떻게 적응해왔는지 실마리를 제공할 수 있는 흥미로운 분류군이다.

극한 환경에서의 생물은 외부의 다양한 물리·화학적 스트레스에 지속적으로 노출되고 이는 생체 물질대사를 방해한다. 연구진은 이러한 환경에서 남색홍조류가 어떻게 적응하였는지를 알아보기 위해 남색홍조류 3종의 유전체를 염색체 수준으로 신규 해독하였다. 유전체 비교분석을 통하여 유전자의 진화와 중금속 환경에서의 적응력을 분석하였고, 흥미롭게도 남색홍조류의 유전체 내에는 다양한 기원의 박테리아와 고세균 유전자가 있음을 발견하였다.

남색홍조류는 박테리아로부터 비소나 수은과 같은 중금속을 해독하는 유전자를 수평적 유전자 전이(horizontal gene transfer)*를 통해 외부로부터 획득하였고, 이후 아종말체 유전자 중복(subtelomeric gene duplication)으로 내부적으로 유전자의 수를 늘려 극한 환경에 적응하였음을 규명하였다.

  * 수평적 유전자 전이: 생식에 의하지 않고 개체에서 개체로 유전형질이 이동되는 현상을 가리키는 유전학의 개념이다. 수평적 유전자 이동은 종간의 차이를 뛰어넘어 이동할 수 있다.

남색홍조류에서 진핵생물의 대표적인 유전자 발현 조절 기작 중 하나인 microRNA 관련 핵심 유전자가 모두 사라졌고, 그 외에도 해당 분류군에서는 극한 환경 생존에 불필요한 기작의 일부가 소실되었음을 밝혔다. 또한, 진화 과정을 통해 남색홍조류의 단백질은 고온 산성 환경에 적합하게 변형되어 적응하였음을 규명하였다.

극환 환경에 적응하기 위해 적용된 유전체 진화 전략은 모든 남색홍조류 종에서 이용되지만, 세부적인 유전자 및 유전체 구성은 남색홍조류 종 간에도 차이를 보였다. 본 연구를 통해 종분화 과정에서 발생한 유전자 및 유전체 차이가 현재 극한 환경 내에서의 각 종의 서식 환경 차이에 영향을 끼쳤음을 제시하였다.

윤환수 교수는 “남색홍조류는 극한 환경 적응하는 강한 생명력을 가지고 있어 생물을 이용한 중금속 오염 제거, 시스템/합성 생물학, 유전공학 등의 다양한 응용 분야 연구에 이용될 수 있다”고 말했다.

본 연구는 한국연구재단의 중견연구지원 및 식물생체리듬 선도연구센터 사업으로 수행되었다. 윤환수 교수의 연구결과는 국제학술지 Nature Communications(IF=17.694)에 1월 4일(수) 게재되었다.

▲ 남색홍조류가 생육하는 고온(45-60도), 강산성(pH1-4), 고중금속의 유황 온천수

▲ 남색홍조류의 극한 환경 적응 시스템