조류의 유전체는 시퀀싱 기술에 독특한 도전 과제를 안겨줍니다. 포유류 유전체와 달리, 조류 유전체는 수십 개의 초소형 염색체(microchromosome), 더 작은 '점 염색체(dot chromosome)', 그리고 짧은 리드 시퀀싱 기계로는 해독이 불가능한 긴 반복 DNA 서열을 포함하고 있기 때문입니다 . 가장 작은 11개 염색체는 전체를 조립하는 것이 불가능했으며, 이전 참조 지도들은 실제 유전자 내용을 가리는 수많은 빈칸(gap)으로 가득 차 있었습니다 .
이 장벽을 극복하기 위해 에리히 자비스(Erich Jarvis) 연구실이 이끄는 록펠러대 팀은 PacBio HiFi와 Oxford Nanopore 기술을 포함한 장기 리드 시퀀싱 플랫폼을 조합해 사용했습니다 . 연구진은 반복 DNA 서열이 시퀀싱 포어(pore)를 막는 현상을 발견하고, 분석 중에 포어를 반복적으로 세척하는 프로토콜을 개발했습니다. 또한 남은 모든 빈칸을 메우기 위해 염색체 하나하나를 수동으로 정리하는 큐레이션 과정을 거쳤습니다 .
그 결과, 각 부모로부터 물려받은 DNA를 구분할 수 있는 완전한 위상(phased) 이배체 유전체이자, 모든 염색체를 끊김 없이 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 포착한 텔로미어-투-텔로미어(T2T) 조립체가 탄생했습니다 .
새로운 조립체는 2,710개의 이전에 알려지지 않았던 유전자를 밝혀냈으며, 이 중 972개는 단백질을 코딩하는 유전자였습니다 . 한 가지 놀라운 예시로, 과학자들이 참새에는 없다고 생각했던 신경 세포 간 통신에 관여하는 유전자가 사실은 31번 염색체에 숨어 있었습니다. 이 염색체는 매우 작고 반복 서열이 많아 그 누구도 이전에 조립할 수 없었던 곳입니다 .
완전한 유전체는 암컷에게만 있는 W 성염색체도 완전히 해독했습니다. W 염색체는 83%가 반복 DNA로 이루어져 있으며, 이전에는 서열의 약 3분의 1이 전혀 조립되지 않은 상태였습니다. 이는 중요한 의미를 갖습니다. Z와 W 성염색체의 유전자들은 발성 학습의 성별 차이(에스트로겐 조절과 연관됨)와 관련된 유전자가 풍부하기 때문에, 완전한 조립체 덕분에 이 유전자들을 처음으로 직접 실험할 수 있게 되었기 때문입니다 .
가장 예상치 못한 발견 중 하나는 동원체(centromere)에 관한 것입니다. 동원체는 세포 분열 중 자매 염색분체를 묶어주는 구조입니다. 연구팀은 참새의 모든 염색체 동원체에서 716개의 염기쌍으로 구성된 반복 서열을 발견했으며, 이 서열에는 인간의 CENP-B 단백질 결합 부위와 매우 유사한 모티프(motif)가 포함되어 있었습니다 . 연구진은 포유류에게 CENP-B를 제공한 것과 동일한 고대 이동 DNA(mobile DNA) 계열에서 유래한 후보 결합 단백질을 확인했으며, 이는 조류와 포유류가 이전에 생각했던 것보다 더 조직화된 동원체 구조를 공유하고 있음을 시사합니다 .
밝혀진 초소형 염색체 구조는 척추동물 유전체의 원시적인 구조를 반영하는 것으로 여겨지며, 수억 년에 걸쳐 유전체가 어떻게 진화해 왔는지에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다 .
참새는 듣고 모방하여 소리를 배우는 행동을 보이기 때문에, 말하기와 발성 학습의 생물학을 연구하는 최고의 동물 모델입니다 . 이 완전한 유전체 덕분에 참새는 완전한 참조 유전체를 가진 두 번째 발성 학습 종이 되었습니다. 첫 번째는 인간이었습니다 .
록펠러대 언어 신경유전학 연구소 소장인 에리히 자비스는 발성 학습 종과 비발성 학습 종을 구별하는 핵심 분자가 존재한다면, "그것은 어딘가에 있을 것"이라며 완전한 유전체가 이제 그러한 유전자들을 직접 조사할 수 있게 해준다고 말했습니다 .
발성 학습 연구를 가능하게 하는 것 외에도, 이번 연구는 비교 척추동물 유전체학을 위한 중요한 참조 자료를 제공합니다. 수년 동안 연구자들은 특정 유전자가 조류에 실제로 없는 것인지, 아니면 단지 불완전한 조립체 때문에 빠진 것인지에 대해 논쟁을 벌여왔습니다. 새로운 유전체는 이러한 질문을 해결하여, 실제 진화적 손실과 조립 오류를 구별하는 데 도움을 줄 것입니다 .
참새 T2T 유전체는 척추동물 유전체 프로젝트(Vertebrate Genomes Project)가 수천 종의 척추동물에 대한 완전한 유전체를 생산하려는 광범위한 노력의 일부입니다 . 더 많은 T2T 조립체가 제공됨에 따라, 연구자들은 유전체 진화, 발성 학습, 그리고 복잡한 행동의 유전적 기초에 대해 점점 더 정밀한 질문을 던질 수 있게 될 것입니다.
현재로서는, 이 새로운 참조 지도가 과학자들에게 노래 학습의 유전적 기초를 탐구하고, 나아가 인간의 언어를 이해할 수 있는 강력한 도구를 제공하고 있습니다.