수평적유전자이동

수평적유전자이동(=수평적유전자전달, horizontal gene transfer, 또는 lateral gene transfer)은 서로 다른 개체 간 유전자를 주고 받는 현상을 의미한다. 부모 세대로부터 유전형질을 물려받는 수직진화(vertical evolution)에 반대되는 개념이다. 수평적 유전자이동(HGT)은 진핵생물(eukaryotes) 보다 원핵생물(prokaryotes)에서 매우 빈번히 발생된다. 사실, 진핵생물은 유성생식(sexual reproduction) 과정에서 일어나는 빈번한 유전적 재조합(genetic recombination)을 통해 종 내 유전적 다양성을 확보하여, 환경 변화에 적응•생존해 나갈 수 있다. 반면, 원핵생물은 하나의 모세포의 분열을 통해 생식을 하기 때문에, 부모와 자식세포간 유전적 변이가 거의 없어(clonal reproduction), 수직 진화과정 만으로는 유전적 다양성을 확보하기가 쉽지 않다. 결국, 원핵생물은 서식 환경 변화에 적응하고 지속적인 생존에 필요한 유전자들을 HGT을 통해 외부 종으로부터 들여오게 된다(그림 1).

그림 1. 공생세균 Wolbachia가 숙주인 무척추동물(invertebrate, 특히 곤충류)의 세포 안으로 침입하여(endosymbiosis), 일부 DNA(빨간색)를 숙주 유전체(파란색)로 수평전달. 출처: GettyimagesKorea 

목차

원핵생물의 HGT는 conjugation, transduction 또는 transformation을 통해 발생한다(그림 2). Conjugation은 서로 다른 두 세포 간 직접적인 물리적 접촉을 요구한다. 따라서, 미생물 세포들이 공간적으로 매우 밀집해 있는 환경(예: 인간 장내 환경, biofilm 등)에서 빈번히 발생한다. 일반적으로, donor 세포의 type IV secretion system으로부터 생성된 conjugation pilus가 recipient 세포에 부착된 후, pilus를 통해 donor 세포의 플라스미드(plasmid)가 recipient 세포로 이동할 수 있다.¹⁾ 만약 세포 간 pilus가 상대적으로 오랫동안 유지될 경우, 크기가 작은 염색체(chromosome)가 recipient 세포로 이동할 수도 있다.²⁾ 미생물 종류에 따라 conjugation의 donor-recipient 관계는 매우 제한적으로 형성되거나, 경우에 따라 진화적 거리나 세포벽 구성의 차이(그람 양성, 음성)와 상관없이 자유롭게 형성되기도 한다. Transduction은 바이러스(예: 세균의 경우 bacteriophage)를 매개로 하기 때문에, conjugation과 달리 세포 간 물리적 접촉을 요구하지 않는다. 그래서, 세포 밀도가 상대적으로 낮은 환경에서 서식하는 미생물(예: marine bacteria)에게 유용한 HGT 발생기작이다. 다만, 바이러스의 숙주 특이성으로 인해, transduction은 계통학적으로 매우 유사한 donor와 recipient 세포 간에만 제한적으로 발생한다. 또한, 세균의 경우 bacteriophage capsid 내부 공간이 협소하여, 상대적으로 길이가 짧은 DNA(약 50 kb 미만)만 수평적 유전자이동이 가능하다.³⁾ 마지막으로 transformation은 donor 세포가 생장조건이 맞지 않거나 또는 바이러스 감염 등의 이유로 용해되어(lysis), 외부 환경으로 노출된 유전자(naked DNA)가 recipient 세포에 직접 삽입되어 들어가는 경우다. 그람양성균, 그람음성균, 고균(archaea) 등 모든 종류의 원핵생물에서 transofrmation이 관찰되어 왔지만, conjugation과 transduction에 비해 발생빈도가 매우 제한적이다.⁴⁾

Donor에서 recipient 세포 안으로 들어온 유전자는 restriction endonucleases에 의해 조각날 수가 있다. 온전한 유전자든, truncated pseudogene이든, donor에서 온 DNA와 recipient 유전체 간에 25 bp에서 200 bp 정도가 공유되면, homologous recombination이 일어난다. 따라서, donor와 recipient가 진화적으로 매우 멀면, homologous recombination 확률이 떨어져, HGT가 일어나기 어렵다. 이 후, recipient 세포에 끼어들어간 HGT 유전자는 세포분열을 통해 계속 다음 세대로 전달될 수가 있다[2]. 만약, 해당 HGT 유전자가 recipient 세포의 fitness(=생존력 + 번식력)을 높이게 되면, 어느 정도의 세대가 흘러, 이 유전자는 집단(population)안에서 고정(gene fixation: 특정 유전자가 생물집단을 구성하는 대부분의 개체에 나타나는 경우)된다. 반면, 해당 HGT 유전자가 recipient 세포의 fitness를 감소시키면, 일정 세대 후 집단에서 사라지게(deleterious gene)된다. 진핵생물과 달리, 원핵생물의 유전체는 대부분 protein-coding genes으로 구성되어 있어, homologous recombination이 일어난 위치가 non-coding region일 가능성이 많지 않다. 따라서, fitness와 상관없이 우연적으로 fixation여부가 결정되는 neutral evolution은 미생물에서 크게 고려하지 않아도 된다.

그림 2. HGT 발생에 관련된 세 가지 기작. Conjugation은 donor 세포가 만들어낸 pilus가 repicient 세포에 연결된 뒤, donor 세포의 플라스미드(가끔은 염색체)가 recipicient로 이동하는 현상. Transduction은 bacteriophage등의 바이러스를 매개로 하여 일어나는 유전자 수평이동. Transformation은 환경에 노출된 DNA가 recipient 세포 내로 삽입되어 들어가는 현상. (출처: 김경모/극지연구소)

HGT 발생빈도는 해당유전자 기능의 중요도에 따라 결정된다.⁵⁾ HGT에 의해 종 내 한 개체의 fitness을 높이기 힘든 유전자(예: DNA replication, transcription, translation등과 같은 정보유전자들 또는 informational genes)은 대부분 detelerious하여 생물 종 내 집단에서 고정되기 힘들다. 즉, HGT 발생빈도가 낮다. 반대로, HGT가 개체의 fintness를 높이기 쉬운 유전자(예: secondary metabolisms관련 유전자. 보통 미생물 종 내 균주별 특이성을 부여하는 유전자)는 유효집단크기 N_e(effective population size)값에 따라 속도의 차이(N_e가 크면 천천히, 작으면 빠르게)는 있지만 결국 집단 내에서 고정되게 된다. 즉, HGT 발생빈도가 높다. 한편, HGT 발생빈도는 미생물 종에 따라서도 다르게 나타난다. 다양한 생태적 지위(ecological niche)에 적응해 온 종(species)은 HGT 빈도가 높은 반면, 제한된 생태적 지위 속에 살아가는 미생물은 HGT 빈도가 낮다.

HGT는 DNA 염기서열 수준에서 손쉽게 탐색될 수 있다.⁶⁾ 가장 빈번히 사용되는 기준은 GC 퍼센트(%)값이다. 예를 들어, 한 미생물 균주 유전체의 GC값이 50%인데, 유전체 내 특정 유전자의 GC값이 30%이면, HGT를 의심해 볼 필요가 있다. 또한, 유전체 내 대부분의 유전자와 전혀 다른 codon usage을 갖는 유전자(예: 대부분의 유전자는 codon GTT로 valine을 coding하는 반면, codon usage bias를 갖는 유전자는 codon GTA를 이용)도 HGT 후보가 된다. 이 같은 분석법(DNA compositional analysis라 부름)을 이용하여 HGT 후보 유전자를 결정한 뒤, tree reconciliation 방법을 이용하여 최종적으로 HGT 여부를 결판단할 수 있다. 즉, HGT 후보 유전자 서열에 대한 공통진화유전자(orthologs 계산방법은 계통유전체학 문서 참고)를 구하고, 다중염기서열정렬 후, 해당 유전자 계통수(gene tree)를 구한다. 그리고, 미생물의 경우 16S ribosomal RNA서열을 이용하여(만약 16S 서열 정보가 부족할 때는 계통유전체수를 이용) species tree를 작성한다. 그 다음, 두 계통수를 비교하여, HGT 후보 유전자를 가지는 종(species)의 gene tree상의 계통위치가 species tree에서의 해당 종의 계통위치와 다르면, 그 유전자는 HGT로 최종 확정된다.

김경모/극지연구소

김봉수/한림대학교

1. Cascales, E., & Christie, P. J. (2003). The versatile bacterial type IV secretion systems. Nature reviews. Microbiology, 1(2), 137.
2. Thomas, C. M., & Nielsen, K. M. (2005). Mechanisms of, and barriers to, horizontal gene transfer between bacteria. Nature reviews. Microbiology, 3(9), 711.
3. Brown, T. A. (2007). Genomes (No. Ed. 3). Garland Science. 
4. Jonas, D. A., Elmadfa, I., Engel, K. H., Heller, K. J., Kozianowski, G., König, A., ... & Kleiner, J. (2001). Safety considerations of DNA in food. Annals of Nutrition and Metabolism, 45(6), 235-254.
5. Jain, R., Rivera, M. C., & Lake, J. A. (1999). Horizontal gene transfer among genomes: the complexity hypothesis. Proceedings of the National Academy of Sciences, 96(7), 3801-3806.
6. Lawrence, J. G., & Ochman, H. (2002). Reconciling the many faces of lateral gene transfer. Trends in microbiology, 10(1), 1-4.