[일반생물학] 양성선택 및 정화선택

단백질을 암호화하는 유전자에서의 치환은 그에 따른 단백질의 아미노산 염기서열이 바뀌는지 여부에 따라 동의적 또는 비동의적일 수 있다. 동의치환율과 비동의치환율의 상댓값은 중립적으로 진화하거나 양성선택에 의해 진화하거나 또는 정화선택에 의해 변하지 않는 상태로 있는 유전자 부위에서 서로 다를 것으로 예상된다.

 

- 만약 어떤 단백질의 특정 아미노산 위치에 단백질 기능을 변화시키지 않고도 여러 아미노산이 올 수 있다면, 이 자리에서의 아미노산 교체는 생물의 적응도 측면에서 중립적이다. 이 경우에 해당 DNA 염기서열에서의 동의치환율과 비동의치환율은 매우 유사할 것으로 예상되므로, 두 값의 비는 1에 가까울 것이다.

- 만약 주어진 아미노산 위치가 양성선택의 영향 아래 있다면, 해당 DNA 염기서열에서 비동의치환율은 동의치환율을 초과할 것으로 예상된다.

- 만약 주어진 아미노산 위치가 정화선택의 영향 아래 있다면, 해당 DNA 염기서열에서 비동의치환율은 동의치환율을 초과할 것으로 예상된다.

- 만약 주어진 아미노산 위치가 정화선택의 영향 아래 있다면, 해당 DNA 염기서열에서 동의치환율은 비동의치환율보다 훨씬 더 높을 것으로 예상된다.

 

과학ㅈ가들은 여러 종에서 상동단백질을 암호화하는 유전자의 서열들을 비교함으로써 동의치환 및 비동의치환의 역사와 발생 시기를 결정할 수 있다. 이 정보는 계통수 위에 표시될 수 있다. 계통수에 걸쳐 나타나는 치환의 속성과 치환율을 비교함으로써 중립선택, 정화선택, 또는 양성선택 하에 진화하는 유전자의 부위를 확인할 수 있다.

 

유전체 염기서열에서 동의치환 및 비동의치환을 조사하여 생물학자들은 독감 바이러스의 표면 단백질 중 어떤 아미노산 위치가 숙주의 면역 탐지를 피하기 위해 양성선택을 받아 진화하는지 결정해 왔다. 이 정보로 연구자들은 사람의 면역 탐지를 피할 가능성이 높은 독감 바이러스를 찾아낼 수 있다. 이 바이러스들은 다음의 독감 유행병을 일으킬 가능성이 가장 높은 바이러스이므로, 백신 생산에 사용할 최적의 후보이다. 도입 부분에서 논의하였듯이 성공적인 독감 백신의 생산은 수십 년 동안 독감 유행병의 영향을 크게 낮추었다.

 

라이소자임의 진화에 대한 연구는 특정 아미노산 위치가 어떻게 그리고 왜 다양한 선택 양식의 영향을 받는지 보여준다. 라이소자임 효소는 거의 모든 동물에서 발견되는데 이것은 포유류의 눈물, 침, 젖에서 그리고 조류 알의 흰자에서 생성된다. 라이소자임은 세균의 세포벽을 분해함으로써 세균을 터트려 죽인다. 그 결과 세균의 침입에 맞서는 첫 번째 방어선으로 중요한 역할을 한다. 대부분의 동물들은 세균을 분해하여 이에 대항해 스스로를 방어하는데, 이는 대부분의 동물들이 라이소자임을 가지고 있는 이유일 것이다. 또한 일부 동물들은 음식물 소화에 라이소자임을 이용한다.

 

포유류에서 전장 발효(foregut fermentation)라고 불리는 소화 방식이 두 번 진화했다. 이 소화 방식을 가진 포유류에서 전장(식도 끝이나 위)은 섭취한 식물물질을 세균이 발효에 의해 분해하는 공간으로 전환되었다. 전장 발효동물은 식물조직의 대부분을 차지하지만 동물이 소화할 수 없는 섬유소로부터 영양분을 추출할 수 있다. 전장 발효는 반추동물(소를 포함하여 발굽을 가진 포유류 그룹)과 랑구르 같이 특정한 잎을 먹는 원숭이들에서 독립적으로 진화했다. 스튜어트(Caro-Beth Stewart)는 랑구르와 반추동물에게 모두 전장 발효를 하지 않는 근연종들이 있기 때문에 이런 진화 사건이 독립적으로 이루어진 것을 알게 되었다.

 

전장 발효하는 두 계통에서 라이소자임은 방어와 관련 없는 새로운 역할을 하도록 변형되었다. 이 라이소자임은 세균에 의해 대사된 영양소를 방출하도록 전장에 서식하는 일부 세균을 터트린 후 이를 흡수한다. 포유류 전장의 소화효소와 산성 조건 한가운데에서 이런 기능을 수행할 수 있기 위해 라이소자임 분자에서 얼마나 많은 변화가 필요했을까? 이 질문에 답하기 위해 스튜어트와 동료들은 전장 발효동물의 라이소자임 암호화 염기서열과 근연관계에 있지만 전장 발효를 하지 않는 종들의 염기서열을 비교했다. 이들은 수집된 종들 간에 아미노산의 공통점과 차이뿐만 아니라 진화적 역사 동안 라이소자임 유전자의 동의치환율과 비동의치환율도 조사했다.

 

라이소자임의 아미노산 위치 대부분은, 상응하는 유전자 염기서열에서 동의치환율이 비동의치환율보다 훨씬 높았다. 이러한 관찰 결과는 라이소자임을 구성하는 많은 아미노산이 정화선택의 영향을 받아 진화하고 있음을 나타낸다. 다시 말해서, 이 위치에서 단백질의 변화에 저항하는 선택이 존재하며, 따라서 관찰된 아미노산들은 라이소자임 기능에 대해 중요한 것임에 틀림없다. 다른 위치에서 몇몇 다른 아미노산이 동등하게 잘 기능하며, 상응하는 유전자 염기서열은 비슷한 동의치환율과 비동의치환율을 나타냈다. 가장 놀라운 발견은 라이소자임의 아미노산 치환이 다른 영장류 계통에서보다 랑구르로 이어지는 계통에서 훨씬 더 높은 비율로 발생했다는 것이다. 랑구르 라이소자임 유전자에서 나타난 높은 비동의치환율은 라이소자임이 랑구르의 전장에 적응할 때 급격한 변화를 거쳤음을 보여준다. 더구나 랑구르와 소의 라이소자임은 5가지의 독특한 아미노산 치환을 공유하는데, 모두 라이소자임 분자의 표면에 놓여 있어 효소의 활성 부위로부터 떨어져 있다. 이들 공유된 치환 중 둘은 아르지닌에서 라이신으로 변화된 것인데, 이는 단백질이 위의 효소인 펩신에 의한 공격에 좀 더 내성을 지니게 만든다. 아미노산 치환의 기능적 중요성을 이해함으로써, 분자진화학자들은 단백질 기능의 변화 관점에서 아미노산 서열의 변화를 설명할 수 있다.

 

많은 화석, 형태, 그리고 분자적 증거는 랑구르와 반추동물이 최근 공통조상을 공유하지 않는다는 것을 보여준다. 하지만 랑구르와 반추동물의 라이소자임은 그 어떤 포유류도 공유하지 않는 몇몇 아미노산을 공유한다. 이 두 포유류의 라이소자임은 조상이 매우 다름에도 불구하고 일부 아미노산 위치에서 수렴진화를 겪었다. 이들이 공유하는 아미노산 덕분에 라이소자임은 전장에서 식물 물질을 발효시키는 세균을 용해할 수 있는 능력을 갖게 되었다.

 

남아메리카에 서식하는 잎을 먹는 특이한 조류이자 유일한 전장 발효조류인 호아친은 라이소자임의 수렴진화에 대한 또 흥미로운 사례이다. 조류들은 대부분 식도가 넓어진 모이주머니(crop)를 가진다. 호아친의 모이주머니에는 라이소자임의 적응과정에서 발생한 많은 아미노산 치환은 반추동물과 랑구르에서 진화된 아미노산 치환과 동일하다. 그래서 비록 호아친과 전장 발표 포유류가 수억 년 동안 공통조상을 공유하지는 않았지만, 이들은 모두 발효 세균으로부터 영양분을 얻을 수 있도록 라이소자임의 유사한 적응을 진화시켰다.