부처연구성과
세계 고래 유전체 연구 선도한다
- 등록일2013-11-25
- 조회수6730
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성과명
세계 고래 유전체 연구 선도한다
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연구자명
임형순/박종화
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연구기관
한국해양과학기술원(원장 강정극)과 테라젠이텍스바이오연구소
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사업명
해양생명공학기술개발사업
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지원기관
해양수산부
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보도자료발간일
2013-11-25
- 원문링크
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키워드
#유전체 연구 #고래
- 첨부파일
세계 고래 유전체 연구 선도한다.hwp
핵심내용
해양과기원 등 공동연구팀, 고래 전장 유전체 및 전사체 세계 최초 규명
국내 연구팀이 해양생명체 중 인류와 유사한 유전자를 지닌 것으로 알려진 해양포유류인 고래의 유전체적 특성을 세계 최초로 파악하는 데 성공했다.
해양수산부(장관 윤진숙)는 한국해양과학기술원(원장 강정극)과 테라젠이텍스바이오연구소(소장 박종화) 연구팀이 주도하고, 국내외 24개 기관 총 55명의 연구자가 참여한 공동연구팀이 차세대 시컨싱기술*을 이용하여 우리나라 근해에 서식하는 밍크고래(Minke whale, Balaenoptera acutorostrata scammoni)의 전체 유전자 염기서열을 해독‧분석했다고 밝혔다.
* 차세대 시컨싱기술(Next Generation sequencing, NGS): 생물체의 유전 정보를 구성하는 DNA 염기서열 정보를 저비용, 고속, 대용량으로 분석하는 기술
고래는 수염고래와 이빨고래로 구별되며, 밍크고래는 수염고래 중 개체수가 가장 많은 종으로서, 국내 동해 근해를 중심으로 일년에 80~100마리 정도 혼획된다.
“밍크고래 유전체와 고래목의 수상 생활 적응(Minke whale genome and aquatic adaptation in cetaceans)” 이라는 제목으로 11월 25일자(한국시각) 네이처 제네틱스(Nature Genetics) 온라인판에 게재된 이번 연구 결과는, 포유류인 고래의 저산소, 해수 등에 관한 해양적응 기작을 이해함으로써, 인간의 저산소증, 심혈관질환 등과 같은 여러 질병 연구에 크게 기여할 수 있을 것으로 보인다.
고래는 지구 생물 중에서 가장 큰 포유류로 약 6천만 년 전 육지에서 바다로 서식지를 옮겨 진화한 것으로 추정되고 있다. 따라서 고래 유전체 연구는 진화에 대한 학술적 가치는 물론이며, 포유류로서 해양에 적응해 온 고래의 독특한 생리 현상에 대한 이해를 통해 인간의 질병 연구에도 많은 기여를 할 수 있다.
특히 이번 연구 성과는 미국, 중국 등 그동안 생물유전체 연구를 선도해온 국가들이 고래의 유전체 해독을 진행하고 있는 시점에서 거둔 성과로서, 앞으로 우리나라가 세계 고래 분자 유전학 분야를 선도할 수 있게 되었다는 데 의의가 있다.
논문의 공동 제1저자인 해양과기원 임형순 박사는 “이번 논문은 고래류의 공통된 생리적, 형태적 특성을 분자 수준에서 이해하는 최초의 연구 결과로, 앞으로 우리나라가 세계 고래 유전체 연구를 이끌어 갈 기반을 마련한 성과이며, 나아가 향후 해양 포유동물 생태계 전반의 연구에도 기여할 수 있을 것“ 이라고 말했다.
연구팀은 비교유전체 연구를 위하여 긴수염고래(Fin whale, Balaenoptera physalus), 병코 돌고래(Bottlenose dolphin, Tursiops truncatus), 상괭이(Finless porpoise, Neophocaena phocaenoides)의 유전체도 해독 분석하였다. 이를 바탕으로 포유류의 해양 적응 및 진화, 그리고 인간의 질병과의 연관성에 대한 후속 연구를 진행할 계획이다.
해양과기원 단장인 이정현 박사는 “어류와 달리 아가미가 없는 고래는 호흡하지 않으면서도 최대 1시간 이상 잠수할 수 있는 특이한 포유류이며, 이는 산소 결핍에 적응할 수 있는 좋은 기전을 갖고 있다는 것을 의미한다”면서, “저산소증이 인간의 뇌졸중, 심장마비 등에 직접적인 영향을 끼치는 만큼, 이번 연구 결과를 활용하면 저산소증 관련 질환의 치료제 개발을 비롯한 의학계의 발전에도 큰 도움이 되고 밍크고래의 유전적 다양성 연구에도 활용될 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 해양‧극한 생물자원 확보와 유전체 해석을 통한 유용 유전자 대량 발굴 등을 목적으로 하고 있는 해양수산부의 해양생명공학기술개발사업의 ‘해양‧극한생물분자유전체연구단’* 과제의 지원으로 수행되었다.
상세내용
참고. 네이처 제네틱스 논문 설명
□ 2013년 11월 25일(월) 네이처 제네틱스 논문 게재
□ 논문제목: Minke whale genome and aquatic adaptation(밍크고래의 유전체와 고래류의 수상생활 적응)
□ 연구 배경
ㅇ 차세대 염기서열 분석기술(Next Generation sequencing, NGS)*의 발전으로 과거에 비해 저가에 많은 유전 정보를 얻을 수 있게 됨
* 생물체의 유전 정보를 구성하는 DNA 염기서열 정보를 이전보다 저비용, 고속, 대용량으로 분석하는 기술이며 2007년에 시장에 출현
ㅇ 2010년, NGS기술만으로 팬더와 같은 거대 전장유전체의 해독 및 분석이 가능하다는 결과가 발표되면서 세계적인 유전체 연구그룹들이 앞다투어 주요 고등생물에 대한 유전체 해독 진행 중
ㅇ 고래는 여러 가지 측면에서 연구가치가 높아서 북극고래(영국 리버풀대학), 혹등고래(미국 UC San Francisco) 등에 대한 유전체 해독이 이루어져 왔으나 아직 발표되지 않았음
□ 고래의 특성
ㅇ 고래는 지구 생물 중에서 가장 큰 포유류로 육지 동물인 우제류(偶蹄類)*와 같은 조상에서 약 6천만 년 전 분기하여 해상에 적응하도록 진화한 것으로 추정
* 우제류(Artiodactyla): 척추동물 포유강의 한 목을 이루는 발굽이 짝수인 동물군으로 사슴, 소, 낙타, 돼지, 하마 등이 이에 속한다
ㅇ 고래 유전체 연구는 진화연구에 대한 학술적 가치가 매우 높고, 특이한 생리 현상(해수환경적응, 산소결핍에 대한 내성)을 설명할 수 있어 인간 질병연구에도 기여할 수 있을 것으로 기대
ㅇ 고래는 육상과 달리 염도가 높은 해수에서 장시간 잠수하는 특성상 저산소, 고염도와 같은 환경에 지속적으로 노출됨으로써 이에 대한 방어 기전이 발달하였으며, 잠영에 적합한 형태를 가짐
- 이와 같은 특징을 가진 전장 유전체를 해독‧분석함으로써 분자 수준에서 연구가 가능하고, 단일 염기 변이(SNV, single nucleotide variants) 분석으로 고래의 종 다양성에 대한 연구 수행 가능
ㅇ 밍크고래는 극지방에서 적도에 걸쳐 골고루 분포하며 수염고래 중에는 개체수가 가장 많음
- 우리나라 근해에 서식하며 연간 80~100마리 정도 혼획되는 밍크고래의 한 종류인 Balaenoptera acutorostrata scammoni를 본 연구에서 주 연구대상으로 이용
□ 연구 내용
ㅇ 동해에서 혼획된 밍크고래의 근육조직에서 디엔에이(DNA)를 추출하여 고래 게놈 크기의 103배로 염기서열을 해독하여 분석
- 추가로 같은 종류의 밍크고래 3마리, 긴수염고래(Fin whale, Balaenoptera physalus), 병코돌고래 (Bottlenose dolphin, Tursiops truncatus), 상괭이 (finless porpoise, Neophocaena phocaenoides) 등 3종에 대해 30배로 해독하여 비교 분석 및 유전체의 다양성 연구에 이용
- 또한 밍크고래의 8개의 장기로부터 알엔에이(RNA)를 추출하여 전사체를 분석하고, 생물학적 분석을 통해 2,650개의 단백질 코딩 유전자(protein-coding gene)를 예측
ㅇ 단백질의 도메인(domain) 분석을 통해 올팩토리 리셉터(olfactory receptor), 로돕신-라이크 지 프로테인-커플드 리셉터(rhodopsin-like G protein-coupled receptor), 맘말리안 테이스트 리셉터(mammalian taste receptor) 도메인의 수가 소, 돼지 같은 육상 우제류에 비해 작아서 바다에서 불필요한 감각기관이 퇴행한 것으로 보임
- 퍼옥시리독신(peroxiredoxin)과 오-린크드 엔-아세틸글루코사민 트랜스퍼레이즈(O-linked N-acetylglucosamin transferase)와 같이 다양한 스트레스에 반응하는 단백질의 수가 비교군에 비해 많아 해양환경 스트레스에 적응하기 위해서였던 것으로 추정
ㅇ 대표적인 항산화물질인 글루타싸이온(Glutathione) 대사 관련 유전자가 고래 특이적인 형태로 변이되어 있으며, 헤모글로빈과 결합하여 항산화 작용을 하는 햅토글로빈(haptoglobin)은 주요 결합 부위가 변이되어 높은 활성을 가질 것으로 예상됨으로써 고래가 활성 산소에 대한 높은 저항성을 가질 것으로 분석
ㅇ 고래가 장시간 잠수를 하면 혐기성 해당(解糖)작용(언에어로빅 글라이코리시스; anaerobic glycolysis)에 의해 최종 산물로 젖산(lactate)이 많이 축적되는데, 젖산의 양을 조절할 수 있는 락테이트 디하이드로지네이즈 (lactate dehydrogenase)와 모노카복실레이트 트랜스포터 (monocarboxylate transporter)의 유전자가 비교군에 비해 많이 존재함
- 또한 혈중 염도(sodium) 농도에 따라 수분과 혈압을 조절하는 데 중요한 역할을 하는 레닌-안지오텐신-알도스테론 시스템(renin-angiotensin-aldosterone system)의 안지오텐신-컨버팅 엔자임2(angiotension-converting enzyme 2)와 관련한 유전자에서도 고래의 특이적 변이를 확인
ㅇ 밍크고래는 돌고래와 달리 치아대신 발린(baleen)을 이용하여 먹이를 취하는데, 치아형성에 관여하는 이엔에이엠 (ENAM), 엠엠피20(MMP20), 에이엠이엘 (AMEL)이 슈도진화(pseudonization) 되어 발현되지 않으며, 털 형성에 관여하는 케라틴-릴레이티드 진 패밀리 (keratin-related gene family)의 수가 적어서 털이 적은 고래의 특성을 나타내고 있음
- 또한 바디 플랜(body plan)과 엠브로이닉 디벨롭먼트 (embryonic development)의 중요한 역할을 하는 혹스 진(Hox gene) 여러 개에서 육상 우제류보다 포지티브리 셀렉션(positively ion)되어 고래가 해양에서 생활하기 위해 여러 가지 형태적으로 적응한 유전자 변화를 확인
ㅇ 추가로 해독한 3개의 밍크 고래 유전체에서 1.37-1.59백만 개의 헤테로자이고스 에스엔브이(heterozygous SNVs (single nucleotide variants)를 찾았고, 이를 이용하여 계산하면 0.00061의 뉴클레오타이드 다이버시티(nucleotide diversity)가 나오는데 이는 인간 (0.00069)과 유사한 수치임
□ 포유류의 잠수시간 비교(사이언스, 2013)
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생물종 |
최대잠수시간(초) |
|
북극고래 |
3,660 |
|
밍크고래 |
806 |
|
인간 |
150 |
|
오리너구리 |
138 |
|
하마 |
240 |
관련정보
동향