다지원 생명세미나_2022년 1월 18일_발제자 solsol

5장 게놈의 암흑물질: 유전자 사용 설명서


1. 우주의 암흑물질에 비유한 게놈의 암흑물질
- 전체 우주에서 우리 눈에 보이는 별, 은하 등의 물질은 극히 일부. 이 눈에 보이는 물질의 행위는 그보다 훨씬 많은 부분을 차지하는 암흑물질과 암흑에너지의 영향을 받은 결과다.
- 마찬가지로 생명체의 전체 게놈에서 눈에 보이는 유전자는 DNA의 극히 일부. 나머지 DNA의 ‘암흑물질’이 발생 중 유전자들을 통제한다.

2. 유전자 스위치
- 툴킷 유전자 사용을 통제하는 신체부속 형성 지침은 암흑 DNA 속에 유전자 스위치의 형태로 숨어 있다.
- 발생과 진화의 주연은 바로 이 스위치이며 동일한 도구로 다양한 동물을 만들고, 얼룩무늬, 줄무늬, 혹 등을 만들어내는 유전자 컴퓨터이자 예술가이다.

3. 암흑 들여다보기
- 우주의 암흑물질은 직접 관찰할 수 없고 그 재료도 알 수 없으나, 암흑물질의 막대한 질량이 은하의 속도와 회전 등에 미치는 영향을 관찰하거나 측정하여 간접적으로 존재를 알 수 있다.
- 게놈 속 암흑물질은 재료(DNA)가 밝혀졌고, 그것을 분리해 직접적으로나 간접적으로 연구할 수 있다. 암흑 DNA를 연구하는 방법은 그 DNA 조각을 눈으로 볼 수 있는 단백질을 암호화한 다른 유전자에 붙여보는 것이다. (e.g. 색깔 있는 반응 생산물을 만드는 효소나 빛을 받았을 때 형광을 띠는 단백질 유전자에 DNA 조각을 붙이면, 이쪽에 줄무늬가 생기고 저쪽에 반점이 생기는 등의 변화로 암흑물질 속의 지침을 확인할 수 있다.)
- 게놈 속 암흑물질 중에는 오랜 진화 중에 축적되어 공간만 채우고 있는 ‘쓰레기(정크)’ DNA도 있다. 사람의 경우 암흑물질 중 2에서 3퍼센트만이 스위치 영역이다.
- 스위치는 두 가지 요소로 이루어져 있다(91).
a. 단백질: 전자를 촉진하는 단백질, 또는 전사를 억제하는 단백질
b. 이 단백질이 결합하는 DNA 염기서열 (158페이지에서처럼 주로 b만을 스위치라고 지칭)
- 스위치는 복수 개의 단백질들이 전하는 입력 신호를 한데 묶어 ‘연산’함으로써 하나의 출력값을 내놓는다. (e.g. 유전자가 발현하거나 발현하지 않음으로써 나타난 줄무늬나 얼룩무늬 같은 삼차원 패턴)
- 하나의 유전자를 조작하는 데 여러 개의 스위치들이 개입할 수 있다. 이 말은 하나의 유전자가 서로 다른 장소에서 다른 시기에 여러 차례 사용될 수 있음을 뜻한다. ([그림 5-1]에서처럼 하나의 유전자가 심장, 눈, 손가락의 발생에 모두 사용된다.)(156)
하나의 유전자가 정상적으로 기능을 수행하기 위해서는 모든 스위치들에서 오는 정보를 다 받아야 한다. 스위치 세 개를 거느린 유전자는 하나의 단백질 암호 부분(흔히 이 부분만을 ‘유전자’라고 부른다)과 세 개의 조절 부분들이라는 네 개의 부속으로 구성된다고 하겠다([그림 5-1]).

4. 통합 GPS 장치 같은 스위치
- 발생 과정에서 스위치는 위성항법장치(GPS)처럼 기능한다. 스위치들은 배아의 경도, 위도, 고도, 깊이 등의 위치정보를 통합해 그 장소를 유전자에게 전달하여 그곳에서 켜지거나 꺼지도록 명령한다.
- 스위치의 기본 기능은 기존의 유전자 활동 패턴을 변형시켜 새로운 활동 패턴을 창출해내는 일이다. 파리 배아 동서 축을 따라 특정 경도에서 띠, 혹은 줄무늬가 생기는 과정을 예로 들어 보자.
a. 발생 초기, 축을 따라 세포 15~20개 너비의 띠에서 몇몇 툴킷 단백질들이 발현.
b. 각 툴킷 단백질은 염기쌍 6~9개 정도 길이의 저마다 다른 DNA 서열에 결합.
세포핵 속의 툴킷 단백질들이 자신의 DNA 서열을 찾아가는 모습이 특정 열쇠가 특정 자물쇠에 맞물리는 모습과 흡사하다 하여 이런 DNA 서열을 ‘표지(signature)’ 서열이라 부름.
c. 파리의 배아에 서경 30도에서 40도까지 좁은 줄무늬가 있다고 하자. 이 줄무늬는 하나의 ‘켜기’ 단서로 위치를 잡은 것이 아니라 여러 개의 ‘끄기’ 신호들을 조합함으로써 경계를 그려냈다. 유전자 X의 스위치들에 결합한 활성자 툴킷 단백질 A와 억제자 툴킷 단백질 B, C를 연산한 결과인 것이다. ([그림 5-2] 참조)(159)
- 스위치의 잠재력은 무한해서 경도와 위도와 고도와 깊이를 어떤 식으로든 조합해낼 수 있다. [그림 5-3]에서 파리 배아에서 다리 위치들을 결정하는 실제 메커니즘을 살펴보면, 사지 형성 유전자 디스탈리스가 체축을 따라 어디에서 Dll을 발현시킬지 결정할 때 경도 신호와 위도 신호를 함께 쓴다는 걸 알 수 있다(161).

5. 강력하고 훌륭한 스위치 조합 논리
- 똑같은 도구들이라도 조합하는 방식을 달리하여 엄청나게 많은 가짓수를 만들 수 있다.
- 스위치의 길이는 평균적으로 수백 염기쌍 정도이며 그 안에 여러 단백질들을 위한 표지 서열이 5~20개까지 들어 있다.
- 툴킷 단백질이 인식하는 표지 서열은 보통 6~9개 염기쌍 정도이지만, 아주 다양하게 조합될 수 있다. (6개의 염기쌍으로 이루어진 서열은 A, C, G, T라는 네 개의 DNA 염기로 4,096가지 순열을 만든다.)
- 동물의 DNA 결합 단백질은 수백 개 단위다. 이 DNA 결합 단백질과 표지서열의 조합 가짓수는 천문학적인 숫자다. 어떤 동물의 툴킷에 DNA 결합 단백질이 500개가 있다면 툴킷 단백질과 표지서열이 하나씩 쌍을 이룰 때의 조합은 500×500=250,000가지이며…… 네 개가 하나의 조합을 이룬다면 60억 가지 이상이 가능하다.
- 스위치의 다양한 조합을 만들기 위해 단백질 500개를 여러 조합으로 활용하는 편이 각기 다른 단백질 25만 개를 암호화하는 것보다 훨씬 효율적이다.
- 스위치 조합 논리의 융통성을 확인하기 위한 실험들. [그림 5-4](166)
스위치에 다른 단백질에 대한 표지서열을 추가하거나 제거하여 파리 배아 양 축에서 나타나는 줄무늬의 조합을 바꿀 수 있다.
- 표지서열에 가감이 생길 때 스위치가 변하고, 그로써 진화가 일어난다.



6. 줄무늬 하나씩, 뼈 하나씩: 전체는 많은 부분들의 합이다
- 줄무늬 일곱 개가 그려진 초기 파리 배아가 있다고 하자. 이 줄무늬들은 간격도 일정하고 비슷해 보인다. 그러나 생물학자들은 이 줄무늬 하나하나마다 담당 스위치가 다르고, 서로 다른 경도 신호의 조합으로 형성된다는 것을 알아냈다.
- 수학자와 컴퓨터 과학자들은 지난 수십 년간 체절이나 얼룩말 무늬, 조개껍질 무늬와 같은 반복적 패턴의 비밀을 알아내려고 애썼으나, 그 해답은 모듈식 유전자 스위치에 있었다. 우리 눈에 규칙적으로 보이는 패턴은 실은 수많은 서로 다른 요소들의 조합이다.
- 척추동물의 커다랗고 복잡한 골격은 일군의 툴킷 유전자들 주위에 모인 많은 스위치들이 뼈 하나씩 차근히 암호화하고 건설한 결과이다. 예컨대 뼈 형성 단백질(BMP)을 만드는 BMP5 유전자 주위에는 이를 각각 갈비뼈, 사지, 손가락 끝, 외이, 내이, 척추, 갑상 연골, 비장, 흉골 등에서 발현시키는 스위치들이 가득하다([그림 5-5])(170). 똑같은 단백질이 서로 다른 패턴, 장소, 시기에 생성된다. 각 작업이 특수할 수 있는 것, 전체 패턴이 복잡할 수 있는 것은 전적으로 스위치 덕분이다.

7. 툴킷 역설의 해소와 스위치
- 그동안 우리는 단백질 암호를 가진 유전자야말로 방대한 DNA의 바다에 군데군데 떠 있는 귀한 정보이며 유전자 주변의 다른 DNA들은 정보 가치가 없는 텅 빈 공간이라고 생각했다. 동물들 간의 차이는 유전자 개수 및 서열 차이에서 비롯했다는 관점이 중심이기도 했다. 그러나 진화발생생물학은 쥐와 사람의 유전자는 개수와 종류에서 거의 동일하며, 차이를 일으키는 것은 주변의 스위치들임을 밝혀냈다.
- 어떻게 동일한 유전자들이 서로 다른 형태들을 만들어내는가? 이 역설을 푸는 핵심 열쇠는 스위치들이다. 스위치들은 동일한 툴킷 유전자들이 서로 다른 동물에서 서로 다른 방식으로 사용되도록 도와준다. 스위치 각각이 하나의 독립적 정보 처리 단위이기에, 한 툴킷 유전자의 스위치 하나나 한 툴킷 단백질이 통제하는 스위치 하나가 진화적으로 변할 경우, 다른 구조나 패턴에 전혀 영향을 미치지 않은 채 그 구조나 패턴의 발생만 달라질 수 있는 것이다. 이것이 모듈식 신체와 신체부속 진화(172~175)에 핵심이 되는 조건이다.