6억 년 전에 일어난 단세포 생물에서의 하나의 유전적 돌연변이로부터 인간을 포함해 현존하는 모든 다세포 생물이 진화할 수 있는 증거를 발견했다는 연구 결과가 나왔다.

11일 퓨처리티 리서치뉴스(Futurity: Research News)와 워싱턴포스트(WP)에 따르면, 오리건 대학(University of Oregon) 생화학자 켄 프리호다(Ken Prehoda) 박사가 이끈 연구진은 지난 7일 생물학 분야 학술지 '이라이프'(eLIFE)에 발표한 논문에서 6억 년 전 일어난 하나의 돌연변이가 단세포 생물에서 다세포 생물로의 진화를 만들었다고 발표했다.

이러한 유전적 돌연변이가 일어나지 않았다면 인간은 물론 거의 모든 다세포 생명체가 현존할 수 없었을 것이라고 WP는 전했다.

프리호다 박사는 퓨처리티 리서치뉴스에 "돌연변이는 좋은 결과 또는 나쁜 결과를 초래하거나, 두 가지가 모두 결합되어 나타나기도 한다"고 말했다.

프리호다 박사는 "결과가 나오기 전 한 번의 돌연변이가 모든 것을 바꾸는 중요한 역할을 했다는 사실에 대해 어떻게 생각하느냐고 물었다면 아무도 그럴 것이라고 말하지 못했을 것"이라면서 이러한 돌연변이를 발견하기 위해서 단세포 원생동물인 깃편모충류의 유전적 변화를 추적했다.

깃편모충류들은 기생·공생을 하지 않고 독립 생활을 하는 군집이며, 동물과 가장 가까운 생명체인 단세포 생물(single-celled organisms)로 여겨진다.

이 해면 같고, 바닷물에 사는 생물은, 편모라는 짧고 외형만 보면 구불구불한 꼬리를 가지고 있는데, 이 편모로 이동하고 먹이를 수집할 수 있다. 긴편모충류들은 단세포로 혼자 존재하기도 하지만 다세포 군집으로도 존재한다.

프리호다 박사팀은 세포 내의 단백질의 행동에 주목했다. 그리고 이전부터 사용해온 단백질 복원법을 사용했다. 진화 계보의 뒤로 거슬러 올라가보기 위해 유전자염기서열분석(gene sequencing)과 컴퓨터를 이용했는데, 연구팀은 분자의 변화를 볼 수 있었고, 과거에도 단백질이 어떻게 작동했는지를 추론할 수 있었다. 이 연구에서 유전자염기서열분석을 위해 40개 이상의 다른 유기체들이 투입되었다.

그리고 단백질 복원에서 하나의 돌연변이가 확인됐는데, 이 돌연변이는 더 이상 꼬리가 필요 없는 조직된 다세포 동물들로의 문을 열어주는 중요한 것이었다.

이들은 또한 깃편모충류의 편모가 그것의 다세포 군집을 조직하기 위해 결정적인 역할을 한다는 것도 발견했다. 이는 깃편모충류가 다세포 라이프스타일(multicellular lifestyle)로 전환되는 우리의 단세포 조상일 수도 있다고 암시했다.

연구는 세포 내에서 효소를 위한 유전자가 복제할 때 꼬리의 역할이 덜 중요하게 되며, 새롭게 만들어진 세포들을 특정 목적에 맞게 맞추고 배열하는 것을 돕기 위해 하나의 돌연변이가 복제 세포들 중 하나를 허용한다는 것을 암시한다.

이 돌변변이로부터 나온 단백질 도메인(protein domain, 단백질의 사슬들이 폴딩이 되어서 어떠한 구조를 이루고 있는 것으로, 대부분의 단백질은 이러한 도메인이 여러 개 합쳐져서 하나의 단백질을 이루고 있다)이 오늘날 모든 동물의 게놈들과 그들의 가까운 단세포 친척들에게서 발견된다. 그러나 다른 생명체에게서는 없다.

프리호다 박사는 "이 돌연변이는 하나의 작은 변화로, 완전히 다른 작업을 수행할 수 있도록 하면서 단백질의 가능을 극적으로 바꾼다"면서 "동물들은 이런 단백질들과 같다고 말할 수 있는데, 왜냐하면 우리 안에 지금 약 70개의 이런 단백질들이 있기 때문"이라고 했다.

또 다른 보도인 WP에 따르면, 단세포생물인 깃편모충류는 때때로 그룹을 이뤄 함께 작업했고 협력을 통해 특정한 종류의 양분을 섭취했다. 이는 각각의 세포가 다른 세포와 함께 협력한다는 사실을 보여준다.

연구진은 깃편모충류의 협력을 만들어내는 유전자를 검토하기 시작했고, 특정 단백질을 수정시키는 하나의 돌연변이를 발견했다.

수정된 단백질은 다른 단백질을 결속하고 소통하는 것을 가능하게 하면서 개별적인 세포들을 집단으로 묶는 기능을 했다.

프리호다 박사는 "단백질은 대사와 같은 다양한 작업들을 수행하면서 우리의 세포의 골격을 이룬다. 그런데 하나의 작업을 수행하는 단백질이 어떻게 다른 작업을 수행할 수 있도록 진화할 수 있는가? 그리고 하나의 조직적인 방법으로 세포들이 함께 일하도록 하는 이와 같은 복잡한 시스템들이 어떻게 그들에게 필요한 많은 다른 단백질을 진화시킬 수 있는가?"라고 질문하면서 "우리의 연구는 새로운 단백질 기능이 아주 작은 수의 돌연변이를 통해 진화할 수 있다고 시사하고 있다. 이 경우에는 단 하나만이 필수적으로 요구된다"고 말했다.

연구진은 유전자 내에서 일어난 이러한 돌연변이가 현존하는 모든 동물에게서 발견된다고 설명했다.

이번 돌연변이의 발견은 인간 진화나 다세포생물로의 진화를 설명할 뿐만 아니라 암 치료 등 현대의학에도 획기적인 영향을 줄 것으로 기대된다.

프리호다 박사는 다세포생물의 일부라는 사실을 망각하고 신체의 지시와 소통을 거부하는 개별 세포들로부터 암을 비롯한 많은 질병이 생긴다면서 만약 세포 간의 소통을 돕는 단백질을 주입한다면 문제가 있는 세포를 막는 방법을 이해할 수 있다고 설명했다.

그는 "이러한 방식은 그동안 생각했던 패러다임과 매우 다르다"며 "우리는 다세포 속 하나의 세포와 관련된 유전자에 집중해 새로운 치료법을 개발할 수 있다"고 강조했다.

미국 국립보건원(National Institutes of Health)은 이번 연구 결과에 대해 지지하고 나섰다.