티베트 영양의 게놈에서 고산지대에 서식하는 방법을 배우다

　

　

  티베트 영양(Pantholops hodgsonii)은 티베트고원과 같은 고도가 높아 황폐한 환경에서 서식한다. 고도가 높으면 압력이 높기 때문에 산소가 부족하고 자외선과 방사선에 많이 노출된다. 티베트 영양의 초안 게놈을 통해 포유류(우제류, artiodactyls)의 게놈을 확인하고, 고지에 적응할 수 있는 잠재적인 유전자를 감지하였다. 다른 동물에 비해, 영양의 게놈이 에너지 대사 및 산소 전달과 관련된 유전자가 확장되어 적응 진화되었다. 고원에 서식하는 미국 새앙토끼와 티베트 영양의 DNA 복구와 ATPase 생산에 관련된 유전자로 저산소증에 강한 특징을 확인하였다.

　
  4,000~5,000m 고도의 티베트 고원은 인간과 같은 비 토착동물들은 생명을 위협하는 고산병이 발생할 위험이 있다. 그러나 이곳에 서식하는 우제류의 티베트 영양은 낮은 산소 조건에서도 시간당 80km까지 이동이 가능하며, 험한 환경에 적응하기 위해 특별한 메커니즘이 진화되어 왔다.

　

티베트 영양의 게놈 분석

　

  BGI에서는 일루미나 NGS를 이용하여 영양의 초안 게놈을 어셈블리하고, 높은 고도에서 생활할 수 있는 유전적 특징을 비슷한 고도에서 서식하는 미국의 새앙토끼(Ochotona princeps)와 비교하였다. 두 가지 종을 150bp, 500bp, 2kb, 5kb, 10kb, 20kb 크기의 라이브러리를 생성하여 일루미나 GA IIx로 해독하였다. 영양의 단백질 발현 유전자를 암소와 인간 유전자에 annotation하여 예측하였으며, 서열의 유사성과 전장 게놈의 synteny에 대한 정보를 이용하여 유전자 위치를 확인하였다. 계통분석은 10종(암소, 돌고래, 개, 새앙토끼, 토끼, 마우스, 쥐 등)의 포유류의 단백질 발현 유전자를 확인하여 계통을 구축하는 알고리즘(NJ-DN, NJ-DS, NJ-mm, phyml-AA와 phyml-NT)을 기반으로 유사, 특이 유전자의 관계를 유추하였다.

　

  Kekexili 국립 자연 보호구에서 수컷 영양의 gDNA를 추출하여 일루미나 PE(paired end) 해독(53x)을 수행하였다. 영양의 게놈 사이즈는 소(2.9Gb)보다 약간 작은 2.75Gb이며, SOAPALIGNER를 사용하여 어셈블리 하였다. GC 함량은 소, 말, 인간, 쥐와 유사한 수준이다. 영양은 암소와 반복서열이 12bp로 유사하고, 암소와 인간은 635Mb를 공유하며, 영양과 인간은 499Mb를 공유한다.

　

  영양의 게놈에서 220만개 단일 염기변이(SNP)를 식별하고, 유전자 수를 AB inito 방법을 사용하여 예측하였다. 인간과 영양, 암소의 계통거리를 고려하여 인간이 22,389개, 소가 16,995개, 영양이 18,957개 유전자를 예측하였고, 포유류 사이의 보존된 유전자를 확인하였다. 이동성 유전인자는 영양 게놈의 37%를 차지하였다. 종의 특정 유전자를 예측하기 위해 GENSCAN와 GLIMMERHMM를 사용하였다.

　

다른 포유류와 비교, 적응진화의 증거

　

　

  소, 인간, 마우스, 쥐, 침팬지, 원숭이, 말, 개 등 8가지 포유류의 유전자 사이에 공유된 12,077개 유사 클러스터를 발견하였다. 그 중 357개 클러스터는 영양과 암소 사이만 공통으로 존재하며, 이를 이용하여 암소와 영양의 공통조상에서 synteny를 식별하여 재구성하였다. 공통의 반추동물 조상에 대한 synteny 블록(aHSBs; Ancestral homologous synteny blocks)과 공통으로 존재하는 상동 synteny 블록(HSBS; homologous synteny blocks)에 대해 조사하였으며, 영양 게놈의 어셈블리 조각으로 추가적인 염색체 진화가 중단되었다고 추측하였다.

　

고도 서식 종의 게놈 비교

　

  고도 서식종인 영양과 새앙토끼의 게놈을 비교하였다. 높은 고도에서 서식하는 생물 종에게는ATPase와 DNA 복구 유전자가 중요하다. ATPase는 유전자에 에너지를 제공하고, DNA 복구 유전자는 높은 자외선 노출을 효율적으로 이용한다. 따라서 두 종에서 공통으로 선택된 유전자 76개의 분기 지점을 검출하여, ATPase와 DNA 복구에 대한 기능을 확인하였다.

　

  copy number가 중복된 유전자가 확장된 것을 통해 낮은 산소 조건에서도 에너지를 제공하는 에너지 대사가 활발함을 확인하였다. 또한 혈관을 생성하는 것을 조절하고, 엽산과 유도체의 생합성 과정을 억제시키는 12개 유전자를 확인하였다. 그 외에도 DNA 합성과 복구, 빈혈을 방지하는 건강한 적혈구와 면역력 증진에 필요한 엽산에 관련된 유전자를 확인하였다.

　

  저산소증에 관련된 유전자 247개 중 7개(ADORA2A, CCL2, ENG, PIK3C2A, PKLR, ATP12A, NOS3)를 가지고 있었으며, 세계에서 가장 높은 고원에 서식하는 티베트 새앙토끼(Ochotona curzoniae)에서 7개의 유전자를 재 해독하였다. PKLR은 피루베이트와 ATP 상호작용 속도를 제한하는 유전자이며, NOS3는 심장 혈관의 항상성에 중요한 매개 유전자이다. 조직에서 더 많은 산소를 받을 수 있도록 혈액의 흐름을 증가하거나 혈관 직경을 조절하는 기능이 있다. 고도가 높은 환경에서 낮은 산소로 인해 동맥혈의 산소포화도가 급감하는데, 4,000m의 고도에서 산소 분압은 해수면의 60%에 그칠 정도이다. 이에 적응 또는 보상하는 메커니즘이 부재하면, 조직에 산소가 수송되지 않아 심각한 손상이 일어나 신진대사에 영향을 끼치게 된다. 유전자 분석으로 산지에 서식하는 동물들의 저산소증에 대한 전략을 수립할 수 있다.

　

  유전자 기능의 획득과 손실은 환경에 적응, 진화된 원인이다. 각 유전자 가족의 크기는 9가지 다른 포유류(소, 개, 말, 인간, 침팬지, 원숭이, 주머니쥐, 마우스, 쥐)에서 얻은 게놈과 영양의 유전자를 비교하였다. 영양의 손실된 유전자 대부분이 후각 수용체와 면역에 관련이 있었으며, 획득한 유전자는 미토콘드리아 세포막에 관련된 신진 대사 기능이었다.

　

  높은 자외선은 동물의 생존을 제한하는 생태학적 요인이다. 수천 년에 걸쳐 살아남은 고원의 야생동물들을 가혹한 환경 스트레스를 해결하기 위해, 일부 유전자가 환경에 적응하는 메커니즘을 개발하였다. 티베트 영양은 2,750년 전 고원에 토착하게 되어 상대적으로 짧은 시간 동안 적응이 진행되었고, 이는 원시 고원동물인 야크가 수 백만 년 동안 환경에 적응해온 점과 차이를 보인다.

　

맺음말

　

  영양의 초안 게놈을 확보하고, 영양과 새앙토끼의 저산소증 유전자와 DNA 복구, ATPase 기능, 혈관에 관여하는 공통적인 유전자를 식별하였다. 낮은 고도에서 서식하는 영양 종에서는 이용이 불가능한 유전자로, 영양과 암소 사이에 유전적 차이는 시간이 아닌 고도에 적응하는 과정에서 단순히 일어났다는 가능성을 보여준다.

　

참고문헌

　

Draft genome sequence of the Tibetan antelope

　

역저자

　

글 : Park.HyeonJi

편집 : Ahn.Kung

키워드 : 티베트 영양(Pantholops hodgsonii), 새앙토끼(Ochotona princeps), synteny, aHSBs(Ancestral homologous synteny blocks), HSBS(homologous synteny blocks), ADORA2A, CCL2, ENG, PIK3C2A, PKLR, ATP12A, NOS3 등