Gauger et al. 2010년 Bio-Complexity 논문 리뷰

Abstract

New functions requiring multiple mutations are thought to be evolutionarily feasible if they can be achieved by means of adaptive paths—successions of simple adaptations each involving a single mutation. The presence or absence of these adaptive paths to new function therefore constrains what can evolve. But since emerging functions may require costly over-expression to improve fitness, it is also possible for reductive (i.e., cost-cutting) mutations that eliminate over-expression to be adaptive. Consequently, the relative abundance of these kinds of adaptive paths— constructive paths leading to new function versus reductive paths that increase metabolic efficiency—is an important evolutionary constraint. To study the impact of this constraint, we observed the paths actually taken during longterm laboratory evolution of an Escherichia coli strain carrying a doubly mutated trpA gene. The presence of these two mutations prevents tryptophan biosynthesis. One of the mutations is partially inactivating, while the other is fully inactivating, thus permitting a two-step adaptive path to full tryptophan biosynthesis. Despite the theoretical existence of this short adaptive path to high fitness, multiple independent lines grown in tryptophan-limiting liquid culture failed to take it. Instead, cells consistently acquired mutations that reduced expression of the double-mutant trpA gene. Our results show that competition between reductive and constructive paths may significantly decrease the likelihood that a particular constructive path will be taken. This finding has particular significance for models of gene recruitment, since weak new functions are likely to require costly over-expression in order to improve   fitness. If reductive, cost-cutting mutations are more abundant than mutations that convert or improve function, recruitment may be unlikely even in cases where a short adaptive path to a new function exists.

초록 번역

 새로운 기능하는 단백질이 존재하기 위해 여러개의 돌연변이가 필요한 경우에 이러한 새로운 기능은 적응적 경로(adaptive paths) – 한개의 돌연변이가 간단한 적응의 방식으로 연속되는 –에 의해 이루어진다면 진화적으로 가능한 것으로 생각된다. 그러므로 적응적 경로의 존재 유무가 진화 가능성을 결정한다. 하지만 적응도(fitness)를 개선하기 위한 단백질 과 생산(overexpression)이 새로운 기능 출현에 필요하기때문에 적응을 위한 단백질 과생산을 제거하기 위한 반대방향의(reductive, i.e., cost-cutting) 돌연변이 역시 가능하다. 따라서, 적응 경로의 다양성 – 새로운 기능을 향한 생산적인(constructive) 경로 vs 대사 효율을 증대시키기 위한 반대방향(reductive)의 경로-은 중요한 진화의 결정 요인이다. 이러한 요인들의 중요성을 연구하기위해 오랫동안 연구되어온 두개의 돌연변이를 가진 trpA 유전자를 가진 대장균 (E. coli)을 관찰하였다. 이중 한개의 돌연변이는 부분적으로 불활성(inactivating)이고 다른 하나는 완전히 불활성이어서, 완전한 트립토판 합성을 위해 두단계의 적응적 경로를 허용하게 된다. 높은 적응도를 향한 매우 간단한 이론상의 적응 경로가  존재함에도 불구하고 트립토판을 제한한 조건에서 다양한 대장균 라인들이 생존에 실패하였다. 대신에 두개의 돌연변이를 지닌 유전자의 발현을 제한하는 돌연변이들이 발견되었다. 이 결과는 감소적 경로와 생산적인 경로 사이에서의 경쟁이 특정 생산적인 경로가 생길 가능성을 매우 감소시킬 것임을 보여준다. 이 사실은 유전자 획득에 관한 모델에 있어서 중요성을 가진다. 왜냐하면 약한 기능을 가진 단백질은 적응도를 증가시키기 위해 단백질 과생산을 요구할 것이기 때문이다.  만약 기능을 개선하거나 전환하기 위해 필요한 돌연변이보다 감소적(cost-cutting) 돌연변이가 더욱 많다면, 새로운 기능을 획득하는 현상은 새로운 기능획득을 위한 매우 간단한 적응 경로가 존재할 경우에도 일어나기 힘들다.

 

 

연구진들이 대장균에 실험조건으로 허용한 트립토판 유전자의 진화 적응 경로이다. D60N은 부분 불활성이며, E49V는 완전 불활성 돌연변이다. 따라서 두개의 점돌연변이가 있는 경우 E49V를 고침으로서 대장균은 부분 불활성이라는 형질을 획득하게되고, 그 다음 D60N을 고침으로서 완전한 트립토판 생성 형질을 획득하게 된다.

주목해야할 것은 두가지 점돌연변이가 동시에 일어남으로서 완전한 트립토판 생성 형질을 획득할 수 있음에도 불구하고 여러 실험 조건에서도 이러한 현상은 관찰되지 않는다. 반면에 하나의 점돌연변이가 일어나야하는 경우는 그러한 돌연변이가 관찰되었다.

 이 결과가 시사하는 바는 무엇인가? 기존의 단백질에 여러 돌연변이를 통해 새로운 기능을 획득하거나, 기능이 개선된 단백질이 생성되는 것이 다윈주의 메커니즘의 핵심이다. 하지만 개개의 점 돌연변이(point mutation)에 대한 각각의 선택압(selective pressure)이 존재해야한다는 것은 진화 가능성을 제한하게되므로, 여러 돌연변이가 동시에 일어나는 것은 확률상 그다지 어렵지 않은 현상으로 쉽게 간주되곤 했다. 하지만 이 연구 결과에서는 두개의 돌연변이만으로 트립토판 생성이라는 형질을 획득할 수 있도록 경로를 제공하였음에도 불구하고 두개의 돌연변이가 동시에 일어남으로서 트립토판 생성 형질을 획득한 결과는 관찰되지 않았다. 이는 단순한 돌연변이가 누적되어 새로운 기능, 혹은 개선된 기능의 단백질이 출현하기 위해서는 각각의 단계마다의 다른 선택압이 존재해야함을 의미하며, 이러한 것은 진화의 가능성을 제한하게 되고, 쉬울 것이라 간주되었던 적응 경로가 실상은 그렇지 않다는 의미가 된다.

 

두번째로 이 논문이 시사하는 바는, 많은 연구들이 그동안 진화의 적응 경로에 있어서 호의적인 진화의 경로만을 단순히 가정하였지만, 실제로는 진화에 있어서 다양한 경로의 가능성들이 존재하게 되며, 이러한 다양한 경로들은 쉽게 일어날 것이라 가정되었던 새로운 단백질 출현이라는 경로로의 진화 가능성을 심각하게 제한할 수 있다는 것이다. 다윈주의 메커니즘에서 빈번히 제시되는 유전자 중복 현상(gene duplication)과 중립적 돌연변이(neutral mutation)은 새로운 기능의 단백질 출현이 쉽게 일어날 수 있음을 보여주는 요소로 소개되곤 했다. 하지만 논문에서 보여주는대로, 진화의 적응 경로에 존재해야하는 기능하지 않는 혹은 원래의 기능이 떨어지는 단백질의 존재는 새로운 기능의 단백질에로의 진화 가능성을 제한할 뿐만 아니라, 다양한 진화 경로로의 가능성까지 적응 경로를 다양화해야하므로 실제 그 가능성을 매우 제한하는 형국이 된다.

 

결론적으로, 다윈주의 진화 메커니즘으로 어디까지 설명 가능한 것인지를 파악하는 것은 매우 중요한 일이다. 특정 진화 경로를 설명함에 있어서 그것이 확률적으로 가능함을 추론하는 것과 그것이 경험적으로 가능한 것임을 보여주는 것은 다른 차원의 문제이다. 많은 경우에 새로운 기능을 가진 단백질의 출현은 여러 돌연변이의 누적으로 쉽게 일어날 수 있는 확률로 가정되었다. 하지만 그것이 실제로 가능한지 경험적 근거로 이를 보여주는 연구는 거의 없었으며, 이를 제한하는 다른 경로의 가능성에 대해서 역시 신중히 고려되지 않았다. 여기에 Gauger et al. 논문이 가진 의미가 있다고 하겠다.