유전자 일치도 98% 이상, 뇌 부피는 정확히 3배 차이
주말에 동물원에 가거나 휴대폰에서 짧은 영상을 보다 보면 많은 분들이 침팬지를 보셨을 겁니다. 그들은 바나나를 숙달하게 껍질을 벗기고, 심지어 두 손가락으로 병 뚜껑을 여는 것도 익숙하게 합니다. 그들의 행동과 표정은 인간과 매우 유사합니다.
두개골 내부로 들어가 관찰하면 차이가 명확하게 드러납니다. 성인 침팬지의 뇌 무게는 약 400g으로, 크기는 한 알의 자몽과 비슷합니다. 인간의 평균 뇌 무게는 1400g에 달하며, 이는 두 반 이상의 생수 병 무게와 맞먹습니다. 두 종의 뇌 부피는 정확히 3배 차이가 나며, 뉴런 연결의 복잡성 차이는 더욱 큽니다.
생명과학의 상식은 거대한 수수께끼를 던집니다. 인간과 침팬지의 단백질 코딩 유전자(단백질을 생성하는 신체 기본 재료의 설계도) 유사도는 98%를 넘습니다. 두 사람이 길에서 마주치면 유전자 차이는 보통 천 분의 일에 불과합니다. 침팬지와 인간이 함께 앉아 있어도 기본 신체 부품의 설계도는 거의 동일합니다.
신체를 구성하는 재료에는 차이가 없습니다. 벽돌과 모래가 같다면, 건물의 높낮이는 설계도가 언제 시작되느냐에 달려 있습니다. 핵심적인 분기점은 유전자의 조절 스위치에 숨어 있습니다.
그림: 인간 유전자와 높은 유사도를 보이는 침팬지. 출처: Lund University / iStock
배양 접시에 미니 뇌 만들어 침팬지 침묵 유전자 찾아내기
인간과 침팬지의 뇌가 어떻게 분화되었는지 알아내려면 생명의 시작점으로 돌아가야 합니다. 영장류 배아 발달을 직접 관찰하는 것은 윤리적 경계선에 부닥칠 뿐만 아니라 기술적으로도 어렵습니다. 연구팀은 새로운 길을 개척해야 했습니다.
스웨덴 룬드대학교(Lund University) 요한 야코브손(Johan Jakobsson) 팀이 이 문제를 해결할 길을 찾아냈습니다. 박사후연구원 패트리샤 거데스(Patricia Gerdes)는 2년의 시간을 들안 안정적인 침팬지 세포 배양 방법을 완성했습니다. 연구원들은 유도만능줄기세포(Induced pluripotent stem cells, 체외에서 재프로그래밍되어 어떤 조직으로도 분화할 수 있는 씨앗 세포)를 추출했습니다. 그들은 세포를 배양 접시에서 각각 발달시켰습니다.
세포는 점차 뇌 기관(Brain organoid, 배양 접시에서 키우는 미니 뇌 조직으로 초기 뇌 발달을 모방하는 데 사용됨)으로 자라났습니다. 이 미니 뇌는 몇 밀리미터 크기에 불과합니다. 그들은 태아 뇌의 첫 3개월 성장 리듬을 정확히 재현합니다. 연구팀은 두 조직의 유전자 활성을 비교하자 핵심 목표를 신속하게 찾아냈습니다.
그들은 LINC00662 유전자를 찾아냈습니다. 이는 장비부호 RNA 유전자(Long non-coding RNA 00662, 단백질을 합성하지 않고 다른 신경 유전자를 작동시키는 전문 조절 스위치)입니다. 인간 미니 뇌에서 이 스위치는 최대한으로 작동합니다. 침팬지 미니 뇈 조직에서는 처음부터 끝까지 침묵 상태를 유지하며 어떤 신호도 생성하지 않습니다.
그림: 실험에서 배양된 침팬지 유도만능줄기세포. 출처: The Transmitter
분자 수술 나이프로 바이러스 제거, 잠든 유전자 다시 작동
왜 침팬지 체내의 핵심 스위치가 막혔을까요? 연구팀은 고정도 롱 리드 염기서열 분석 기술을 사용해 조사했습니다. 자물쇠 구멍에 이물질이 원형을 드러냈습니다. 침팬지 LINC00662 유전자 옆에는 고대 바이러스 DNA 잔해가 박혀 있었는데, 이는 PTERV1이라는 코드명을 가지고 있었습니다. 이 외부 잔해는 녹슨 쇠못처럼 단단히 스위치에 끼여 후속 신경 명령을 차단했습니다. 인간의 해당 유전자 주변은 깨끗했으며 어떤 바이러스 흔적도 찾을 수 없었습니다.
인과관계를 검증하기 위해 팀은 분자 수술 나이프를 동원했습니다. 그들은 크리스퍼 유전자 편집(CRISPR gene editing, 특정 DNA 조각을 정밀하게 찾아 잘라낼 수 있는 분자 도구)을 사용하여 침팬지 줄기세포의 바이러스 조각을 전체 제거했습니다. 그런 다음 팀은 미니 뇌를 다시 배양했습니다.
바이러스 조각을 제거한 후, 수백만 년간 잠들어 있던 LINC00662 유전자가 침팬지 조직에서 깨어나 다시 정상적으로 발현되었습니다. 역방향 검증 또한 명확했습니다. 연구원들은 인간 기관에서 LINC00662를 차단하자 뉴런 축삭(Axon, 신경 세포가 외부로 뻗어 신호를 전달하는 가느다란 케이블) 성장이 방해되고 네트워크 연결이 크게 줄었습니다.
그림: 침팬지 신경 기관 현미경 이미지. 출처: The Transmitter / Patricia Gerdes
500만 년 전 바이러스 침입, 침팬지에 158개 사본 남겨
뇌 진화 방향을 바꾼 이 바이러스 조각은 어디서 왔을까요? 지질학적 및 진화 분자학적 증거에 따르면 PTERV1은 고대 역전사 바이러스에 속합니다. 500만 년에서 700만 년 전, 이 바이러스는 아프리카 숲에서 퍼져나갔습니다. 당시는 인류와 침팬지 조상이 갈라서는 결정적인 시기였습니다.
침팬지 조상 집단이 이 병원체에 감염되었습니다. 바이러스는 방어선을 뚫어 생식 세포로 침투하고 숙주 유전자에서 증폭되었습니다. 그것은 침팬지 게놈에 약 158개의 유전적 사본을 남겼습니다. 이 외부 삽입물은 세대를 거쳐 전해져 오늘날까지 보존되어 있습니다.
초기 인류 조상은 개활지에 살았거나 바이러스를 피했을 수 있습니다. 또는 인류 조상이 더 강한 면역 방어선을 가지고 병원체를 체외에서 차단했을 수도 있습니다. 인류 가문은 이 고대 감염을 피했고 유전자 스위치는 깨끗한 상태를 유지했습니다.
발달 시간표는 두 종의 운명을 확대했습니다. 인간 배아 발달 데이터에 따르면, LINC00662의 활성은 임신 후 10주에서 12주에 정점에 달합니다. 이때 태아는 정확히 3개월이 되었으며 뇌는 신경 회로를 서두르고 있습니다. 침팬지의 발달 스위치는 이때 바이러스에 의해 봉쇄되어 일찍 속도가 느려졌습니다.
게놈의 8%가 바이러스 흔적, 침팬지 뇌 발달을 막다
일반인들은 바이러스가 기침, 콧물, 발열만 유발한다고 생각하는 경우가 많습니다. 긴 생명 진화사에서 고대 감염이 남긴 흔적은 일시적인 질병보다 훨씬 깊습니다. 이러한 숙주 체내에 잠든 바이러스 조각은 내성 역전사 바이러스(Endogenous Retrovirus, 고대 바이러스가 생식 세포에 감염된 후 숙주 DNA에 기록된 화석)라고 불립니다. 이들은 인간과 침팬지 게놈의 8% 이상을 차지합니다.
8%라는 비율은 놀라울 정도입니다. 뼈와 근육을 만드는 모든 코딩 유전자를 합쳐도 전체 게놈의 약 1.5%에 불과합니다. 유전 암호가 거대한 책이라면, 열두 분의 일 분량은 고대 바이러스가 남긴 낡은 장면들입니다.
유전자 저장소에는 완전한 폐기물이 없습니다. 고대 바이러스 조각은 종종 진화에서 기묘한 역할을 합니다. 포유류가 후대를 번식시키기 필수적인 태반 조직은 고대 바이러스 요소를 차용했습니다. 옥스포드 브룩스대학 진화 유전학자 라빈더 칸다(Ravinder Kanda)는 이 연구가 바이러스 잔해가 신경 발달 분화에 미치는 작용을 확실히 입증했다고 말합니다. 그러나 그는 동시에 인간이 현재 본 것은 빙산의 일각에 불과하다고 경고합니다.
인간은 종종 자신의 지적 능력을 어떤 독특성에 귀속시키는 경향이 있습니다. 룬드대학교 연구는 진화의 우연성을 밝혔습니다: 인간과 침팬지가 완전히 다른 뇌 경로를 걸은 것은 수백만 년 전 고대 바이러스 감염이 침팬지의 유전자 스위치를 재작성하여 가까운 친척의 뇌 부피 증가 길을 수백만 년간 막아버렸기 때문입니다.
참고 링크:
- Science Advances 논문
- Science News 보도
- 룬드대학교 연구 뉴스
