동물 염색체는 되돌릴 수 없는 ‘진화의 고속도로’를 따라간다

동물의 염색체는 가능한 모든 배열을 무작위로 탐색하는 것이 아니라, 일정한 제약을 받는 경로를 따라 진화하는 것으로 보입니다. 빈대학교 연구진이 주도한 연구는 ‘진화적 게놈 위상’이라는 분석 틀을 활용해 19개 동물 문에 속한 4,454종의 염색체 규모 게놈 5,821개를 비교했습니다. 그 결과 오늘날 동물 게놈 상당수에는 6억 년이 넘는 과거에 살았던 동물 공통 조상의 유전체 구조 흔적이 남아 있는 것으로 나타났습니다.

염색체 진화에는 방향성이 있다

염색체 재배열은 게놈 구조가 바뀌는 현상으로 설명되곤 합니다. 하지만 이번 연구의 핵심은 일부 변화가 이후 진화에 오래 남는 흔적을 만든다는 데 있습니다.

특정 조상의 염색체 단위들이 합쳐지고 그 안의 유전자들이 서로 뒤섞이면, 진화가 과거의 분리된 배열을 그대로 복원하기는 사실상 불가능해집니다. 이처럼 되돌릴 수 없는 변화는 게놈 진화에 일종의 ‘방향성’을 부여합니다. 동물 계통은 염색체 구조의 모든 가능성을 자유롭게 오가는 대신, 제한된 경로를 따라 이동하게 됩니다. 연구진은 이 경로를 진화의 ‘고속도로’에 비유했습니다.

‘융합과 혼합’이 일방향 경로를 만드는 방식

‘융합과 혼합(fusion-with-mixing)’은 두 염색체가 하나로 합쳐지는 동시에, 원래 각각의 염색체에 있던 유전자 구성이 서로 섞이는 과정입니다. 이후 추가적인 재배열이 일어나면 두 염색체 사이의 원래 경계는 더욱 흐려집니다.

결국 조상의 분리된 배열을 정확히 되살릴 수 없게 됩니다. 이 과정은 염색체 진화가 한편으로는 새로운 게놈 구조를 만들어내면서도, 다른 한편으로는 특정한 진화 경로를 닫아버리는 이유를 설명합니다. 이후에 나타나는 염색체 배열은 앞서 일어난 비가역적 변화에 영향을 받으며, 진화의 역사는 갈라지는 나뭇가지처럼 이어집니다.

유리해면·모기·지렁이가 서로 다른 게놈 영역에 놓인 이유

연구진이 만든 게놈 위상 지도에서 주요 동물 계통은 염색체 구조 공간의 서로 다른 영역에 자리합니다. 유리해면, 모기, 지렁이 같은 동물군이 서로 떨어져 나타나는 것은 각 계통이 서로 다른 ‘융합과 혼합’의 역사를 거쳤기 때문입니다. 현재의 염색체 배열은 모든 변화가 되돌아갈 수 있는 하나의 네트워크라기보다, 계통별로 형성된 고유한 경로를 반영합니다.

그렇다고 이 동물들이 깊은 유전적 연관성을 공유하지 않는다는 뜻은 아닙니다. 앞선 비교 연구에서는 좌우대칭동물, 자포동물, 해면동물을 포함한 주요 동물군에서 유전자 연결 관계가 깊이 보존된 네트워크가 발견됐습니다. 이러한 보존된 연결 관계는 시간이 흐르며 전체 배열이 달라져도 염색체 규모의 기본 단위가 이어질 수 있음을 보여줍니다.

염색체 전체를 보면 공통 조상이 보인다

유전자 하나씩만 비교하면 놓치기 쉬운 진화의 맥락을, 염색체 전체의 구조를 비교하면 더 선명하게 확인할 수 있습니다. 서로 연결된 유전자 블록이 보존돼 있는지 살펴보면, 아주 오래된 공통 유산과 특정 계통에서 나중에 일어난 재배열을 구분하는 데 도움이 됩니다.

예를 들어 겉모습이 크게 다른 동물들이라도 동일한 염색체 규모의 연결 관계 일부를 공유한다면, 이는 비교적 최근의 유사성보다 훨씬 오래된 공통 조상의 흔적일 가능성을 검토할 수 있습니다. 이번 분석 틀은 이런 반복적인 유전자 연결 관계를 동물 계통 전체의 게놈 구조를 비교하는 좌표로 바꿔 보여줍니다.

생물 다양성 연구와 보전에 어떤 의미가 있나

이 지도는 앞으로 비교유전체학 연구의 방향을 정하는 데도 활용될 수 있습니다. 아직 표본이 적거나 게놈 구조 공간에서 독특한 위치를 차지하는 계통은 염색체 규모의 추가 염기서열 분석과 후속 연구가 필요한 우선 대상으로 떠오를 수 있습니다.

또한 연구진의 접근법은 게놈 진화가 앞으로 나아갈 수 있는 방향을 모델링하는 데 사용할 수 있습니다. 다만 이런 경로는 특정 종의 미래를 정확히 예측하는 예언이라기보다, 진화가 가능한 범위를 제한적으로 제시하는 모델로 이해해야 합니다.

이번 연구가 보여주는 더 큰 그림은 동물의 다양성이 겉으로 드러나는 형태나 개별 유전자에만 기록돼 있지 않다는 점입니다. 어떤 염색체 변화가 되돌릴 수 있고 어떤 변화가 사실상 되돌릴 수 없는지를 추적하면, 수천 종에 걸친 동물 진화의 오랜 구조적 역사를 재구성할 수 있습니다.