동물 유전체는 무작위가 아니라 ‘진화의 고속도로’를 따라 변해왔다

겉모습만 보면 인간과 문어, 산호는 서로 전혀 다른 생물처럼 보입니다. 하지만 세포 속 염색체를 들여다보면 6억 년 이상 전 동물 공통 조상에서 물려받은 유전체 조각이 여전히 식별됩니다. 비엔나대학교가 주도한 연구는 이 조각들이 무작위로 뒤섞인 것이 아니라, 제한된 네트워크 안에서 대체로 되돌리기 어려운 구조적 상태를 거쳐 재배열돼 왔다고 분석했습니다. 연구진은 이를 ‘진화의 고속도로’라고 표현했습니다.

동물 유전체를 한눈에 비교한 최대 규모 분석

연구진은 19개 동물 문에 속한 4,454종의 공개 염색체 규모 유전체 5,821개를 비교했습니다. 비엔나대학교에 따르면, 동물 계통 전체를 가로지르는 염색체 규모 비교로는 가장 큰 연구입니다.

이번 접근법은 개별 유전자 몇 개가 아니라 유전체의 전체적인 구조를 살펴봅니다. 연구진은 각각의 유전체가 다차원적인 ‘유전체 구조 공간’ 안의 한 지점을 차지한다고 봤습니다. 구조적 진화의 역사가 비슷한 종들은 이 공간에서 서로 가까운 영역에 모이고, 독특한 염색체 변화를 겪은 계통은 주요 집단에서 멀리 떨어진 위치에 나타날 수 있습니다.

이는 진화를 비교하는 데 또 다른 역사 기록을 제공합니다. 아주 오랜 시간 동안 생물의 외형은 크게 달라질 수 있고, 개별 유전자는 복제되거나 사라지거나 변형될 수 있습니다. 반면 염색체 수준의 배열은 어떤 유전자 집단이 함께 유지됐는지, 무엇이 분리됐는지, 이후 어떤 요소들이 영구적으로 결합했는지를 보여줄 수 있습니다.

‘융합-혼합’이 사실상 되돌릴 수 없는 이유

이 연구의 핵심 개념 가운데 하나는 **염색체 융합-혼합(chromosome fusion-with-mixing)**입니다. 원래 서로 분리돼 있던 두 염색체가 하나로 합쳐진 뒤 유전자 내용물이 서로 섞이면, 이후의 진화 과정만으로는 두 염색체 사이에 있던 원래의 경계를 복원하기가 어렵습니다.

따라서 이런 변화는 사실상 한 방향으로 진행되는 사건이 됩니다. 유전체는 이후에도 계속 재배열될 수 있지만, 유전자들이 섞인 뒤의 구조에서 정확한 과거 상태를 되살리기는 쉽지 않습니다. 그 결과 해당 융합이 일어난 계통에는 오래 지속되는 구조적 표지가 남을 수 있습니다. 같은 연구 분야의 앞선 비교 연구도 좌우대칭동물, 자포동물, 해면동물 사이에서 염색체 수준의 보존성을 확인하고, 고대 동물 염색체를 재구성하는 데 염색체 구조를 활용할 수 있음을 보여줬습니다.

여기서 말하는 ‘고속도로’는 모든 계통이 똑같은 길을 간다는 뜻이 아닙니다. 염색체 진화가 멈춘다는 의미도 아닙니다. 일부 구조적 변화는 일어나기 쉽지만 되돌리기는 훨씬 어렵기 때문에, 유전체 구조 공간에서 가능한 이동 경로가 제한된다는 뜻입니다. 염색체의 위상적 혼합과 비가역성을 다룬 연구 역시 융합-혼합을 동물 핵형이 한 방향으로 변화하는 과정과 연결합니다.

유전체 구조 공간이 보여주는 것

염색체 구조의 변화 이력을 공간에 배치하면 단순한 시각적 분류를 넘어, 주요 동물 집단이 어떤 고대 염색체 구성 요소를 공유하는지 확인할 수 있습니다. 특정 계통이 동물 진화의 일반적인 경로와 다른 길을 거쳤는지도 살펴볼 수 있습니다.

이번 연구에서 제시된 사례로는 유리처럼 투명한 골격을 가진 유리해면, 모기, 지렁이 등이 있습니다. 이 계통들은 유전체 구조 지도에서 독특한 영역을 차지하는 것으로 나타났습니다. 따라서 추가 비교 유전체 분석과 진화 연구에서 특히 중요한 대상이 될 수 있습니다.

이 정보는 보전 연구에도 활용될 가능성이 있습니다. 특정 계통이 독특한 유전체 역사를 간직하고 있는지 파악하면, 그 계통이 사라질 경우 잃게 될 진화적 다양성을 인식하는 데 도움이 될 수 있습니다. 다만 유전체의 독특성만으로 보전 우선순위를 완전히 판단할 수 있는 것은 아닙니다.