^*해파리 폴립 변태에서 중요한 역할을 하는 신호전달물질인 레티노산(retinoic acid) 신호전달계 관련 유전자가 발견됐다. 레티노산은 비타민 A의 유도체로서, 형태형성인자다. 이를 매개로 상피 조직의 성장과 분화, 배아의 중추 신경계의 발달 등, 성장과 발생과정이 유도된다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 노무라입깃해파리의 게놈 해독 및 조립

노무라입깃해파리의 게놈은 3세대 염기서열 해독기술 중의 하나인 PacBio SMRT long read 기술로 해독됐다. 해독된 염기서열의 양(약 381억 염기서열)은 예측된 게놈 크기의 약 180배다. 또 차세대 염기서열 해독기술(NGS)과 Truseq synthetic long reads(TSLRs)기술로 게놈 크기의 약 450배, 9배 정도를 추가 해독했다. 이렇게 얻어진 대량의 데이터는 해파리 게놈 조립에 사용됐고, 총 213Mb크기의 게놈이 조립됐다. 이는 인간 게놈 크기(3Gb) 대비 약 1/15 수준의 작은 크기다.

2. 유전자 패밀리* 분석을 통한 진화분석

노무라입깃해파리의 진화적 특징을 알아보기 위해 다른 자포동물(히드라, 말미잘, 산호)과 좌우대칭동물(사람, 제브라피시, 초파리, 예쁜꼬마선충)과 유전자 패밀리(Gene family)를 비교했다.

그 결과 자포동물은 좌우대칭동물 대비 감각지각(Sensory perception)과 관련된 유전자 패밀리가 축소돼 있는 것을 발견했다. 또 노무라입깃해파리는 같은 자포동물인 히드라 대비 신경전달물질수송(Neurotransmitter transport)과 관련된 유전자 패밀리가 확장돼 있는 걸 발견했다. 신경과 근육은 밀접한 관계가 있고, 위 결과는 다른 자포동물 대비 움직임이 더 활발한 해파리의 진화적 특징이 반영된 결과라 할 수 있다. 

<유전자 패밀리 축소/확장 분석 결과 예시> a에서는 해파리와 다른 자포동물들이 공통적으로 가진 유전자 패밀리 집단의 숫자를 보여주며, b에서는 특정한 기능에 관한 유전자 패밀리 수가 공통조상에서 개별 생물로 가면서 어떻게 늘어나고 줄어들었는지 보여주는 그림이다.

^*유전자 패밀리(Gene Family): 비슷한 기능을 하는 유전자의 묶음을 의미한다. 생물체의 기능에 관여하는 유전자는 생존 등 필요에 따라 늘어날 수 있다. 가령 근육 수축에 관여하는 유전자가 원래 하나였다고 해도, 생물이 살아가는 데 그 기능이 중요하게 쓰인다면 관련 유전자가 늘어나서 근육 수축 기능을 더 잘 수행하도록 돕게 된다.

3. 유전자 특징분석과 근육 관련 유전자

유전자 특징분석(Gene context)을 통해 환경적 스트레스에 유전자 수준에서 해파리가 어떻게 적응했는지 분석한 결과, 근육수축과 신경 펩타이드 신호전달과 관련된 유전자들이 해파리가 해양환경에 적응하는 데 더 영향을 미친 것을 확인했다.

해파리는 삼투고정자(Osmoconformer)임에도 불구하고, 수직/수평으로 수영할 때 서로 다른 용질 농도에서 생존하기 위해 분자 수준의 삼투압 제어(Cellular chemical homeostasis, sodium ion transport)와 관련된 유전자들이 진화했다. 근육운동과 관련된 유전자군(Myosin type II family)이 다른 자포동물들 대비 확장돼 있다.

유전자 특징분석을 통해 아직 깊게 연구되지 않은 해파리의 진화적 특징을 이해하는 데 도움을 줄 수 있으며, 추가적인 해파리 연구의 방향을 제시하는 정보를 제공할 수 있다.

4. 조직 및 생식단계별 유전자 발현 특징

해파리의 메두사 머리(Umbrella-shaped bell)는 촉수(Tentacles)조직 대비 근육수축과 관련된 유전자의 발현이 높다. 그 이유는 해파리의 메두사 머리에는 해파리의 운동과 관련된 근육세포들이 분포하고 있기 때문이다. 반면 해파리의 촉수는 메두사 머리 조직 대비 신경전달과 관련된 유전자들의 발현이 높다. 이는 해파리의 촉수에 신경세포와 독 세포가 몰려 있기 때문이다.

해파리의 생식단계 중 폴립(Polyp) 단계에서는 에너지대사와 관련된 유전자 발현이 높았다. 스트로빌라(Strobila) 단계에서는 아마이드 합성 관련 유전자의 발현이 높았다. 마지막 메두사(Medusa) 단계에서는 독 관련 유전자와 면역체계 관련 유전자의 발현이 높았다.

노무라입깃해파리와 말레이해파리의 두 조직(촉수와 메두사 머리) 간의 유전자 발현 차이 분석을 통해 해파리의 조직별 기능의 이해를 도울 수 있으며, 생식단계별 유전자 발현 차이 분석을 통해 생식단계별로 주요하게 발달하는 유전자와 기능들에 대한 이해를 도울 수 있다.

5. 해파리 독 관련 유전자 분석

자포동물은 모두 여러 종류의 독을 가지고 있으며, 그중 해파리는 특정 독 (Phospholipase A2, ShK domain 등) 관련 단백질 도메인의 수가 다른 자포동물들 대비 많았다. 해파리의 독은 인간에게 직접 영향을 미치고, 연구의 활용도가 높기 때문에 추후 해파리 독 연구에 많은 도움이 될 것으로 예상하고 있다.

<해파리 독 단백질의 도메인 분석 결과 예> 빨간색 원으로 표시된 게 노무라입깃해파리다. Phopholipase A2와 ShK domain-like이라는 단백질의 도메인들이 노무라입깃해파리에서 가장 많이 발견됐다. 참고로 단백질 도메인은 기능을 수행할 수 있는 최소 단위의 서열을 의미한다.

※ UNIST 게놈산업기술센터: 

UNIST 코직(KOGIC: 게놈산업기술센터)은 2014년 7월 설립된 기관 공식 게놈연구소로, 게놈을 해독하고 대량의 바이오 빅데이터를 분석하는 게놈 전문 연구자들로 구성돼 있다. 인간뿐 아니라 특수한 DNA 시료를 분석하는 기술을 가진 최첨단 생명공학연구소다.

코직의 연구자들은 2009년 사이언스(Science)에 범아시아인의 이동경로를 5만 개의 유전인자로 분석한 바 있다. 그리고 2017년에는 세계 최초의 동아시아 고인골인 8,000년 전 인간 게놈을 분석해 한국인과 동아시아인 인족 기원을 규명한 바 있다. 또 한국에서는 최초로 수백 년 된 미라의 유전자 분석 연구를 했다. 인간 외에는 세계 최초로 대형고래, 호랑이, 사자 및 표범등의 표준게놈지도를 해독하고 분석했다. 최근에는 한국 국민의 대표 참조표준게놈지도인 코레프(KOREF)를 완성해 발표한 바 있다.

코직은 게놈 기술을 통한 미래 맞춤의학 산업을 창출하고, 첨단 게놈 기술을 국산화하는 것을 목표로 한다. 현재 “한국인게놈프로젝트”, 동물의 “극노화”, 게놈빅데이터 분석 연구를 수행 중이다. 국내 최대의 한국인 만명 인간 게놈사업을 2015년부터 울산시와 공동으로 진행하고 있다.

[붙임] 노무라입깃해파리 개요

[붙임] 게놈 분석 개요