쓰레기 DNA의 신화 (The Myth of Junk DNA)

The Myth of Junk DNA

Discovery Institute의 Fellow이며 Icons of Evolution의 저자인 Jonathan Wells의 저서 The Myth of Junk DNA (2011)를 소개한다. 최근 (2012년) Encode Project ^[각주:1]에 따르면 인간 유전체의 상당수 (80%)가 생화학적 기능 (biochemical functions)을 하는 것으로 알려졌다. 이에 앞서 Jonathan Wells는 Encode프로젝트가 완성되기이전에 접근 가능한 정보들을 바탕으로 단백질을 암호화하지 않는 DNA 역시 기능하고 있으며, 그 기능이 알려져있지 않은것들도 훗날 기능하는 것으로 밝혀질지 모름을 역설하고 있다. 과연 인간의 유전체의 상당수는 쓰레기 (junk)인가, 아니면 실제로 기능하는, 하지만 현대 과학이 아직 밝혀내지 못한 수수께끼들이 가득한 연구대상인가? 왜 다윈주의 진화론자들은 Junk DNA가  다윈주의 진화론을 변호해주며, 지적설계 이론에 대한 강력한 반대의 증거라고 주장하고 있는가? 과연 그 근거들은 설득력이 있는 것인가?   Wells의 책에서 8장은 그의 전체적인 주장들을 일목요연하게 정리하였고, 여기에 일부 번역을 첨부한다. 관심있는 독자들의 일독을 추천한다.

단백질을 암호화하지 않는 DNA, RNA는 각각 NPCD, NPCR 약자로 표현했음을 기억하고 읽기 바란다.

8장 번역 (쌍둥아빠)

 

대부분의 DNA는 단백질을 암호화하지 않는다. 여기에서의 의문은단백질을 암호화하지 않는 DNA (non-protein coding DNA; 이하 NPCD)가 기능이 없는 쓰레기이며 이것이 다윈주의 진화를 지지하는 증거가 되며, 또한 지적설계론을 반증하는 증거가 되느냐이다.

 NPCD의 기능성에 관한 증거는 두가지로 나뉜다. 첫번째는 이런 DNA가 아마도 기능적일 것이라는 근거이다. 이는 두가지 종류의 근거가 있는데 첫번째는 대부분의 NPCD 가 다양한 종류의 RNA로 전사된다는 것이다. 만약 단백질을 암호화하는 DNA (protein coding DNA)만 기능을 한다면 왜 생명체는 쓸모가 없는 RNA를 기능하지 않는 DNA로부터 전사하면서 귀한 에너지를 낭비하며 살아야하겠는가? 3장에서 이미 보았듯이 생명체는 대부분의 DNA를 RNA로 전사하며 이는 NPCD 역시 아마도 기능이 있을 것임을 추론하게끔한다.

첫번째 카테고리의 두번째 근거는 다른 개체들과의 DNA서열 비교에 있다. 진화이론에 따르면 다른 계통이라해도 그들은 공통조상으로부터 DNA를 물려받는다. 만약 두 계통이 기능하지 않는 NPCD를 물려주었다면 자연선택에 의해 영향을 받지 않을 것이고 무작위적으로 돌연변이가 쌓이는 경향을 보이게 된다. 많은 세대가 거듭할수록 두개의 다른 계통사이에는 상당한 차이가 NPCD에 생기게 될 것이다. 반면에 NPCD가 기능을 한다면, 자연선택은 해당 돌연변이를 제거하려할 것이다. 진화학 용어에서 이러한 염기서열은 '보존된다(conserved)'라 한다.

 이러한 논리를 뒤집어보면, 진화론에서는 만약 진화적으로 기원한 개체간에 유사한 NPCD를 공유한다면 이러한 염기서열들은 아마도 기능하는 것이다. 이미 보았듯이 많은 NPCD가 보존되어있고 이는 그들이 생물학적 기능을 함을 의미한다.

따라서 이 첫번째 기준에서 광범위한 전사(transcription)와 염기서열의 보존은 많은 쓰레기 DNA가 아마도 기능하는 것임을 제시한다. 비록 그들이 정확히 무슨 기능을 하는지를 말해주진 않지만 말이다. 두번째 기준은 NPCD의 특이적 기능에 관한 것이다. 첫번째 카테고리는 3장에서 토의되었고 이 내용들은 4-7장에 토의되고 있다.

 

3장.

NPCD에서 전사된 RNA는 단백질을 암호화하는 부위가 전사가 되어야하는지 어디서 되어야하는지 어느 정도로 되어야하는지 등을 조절하는데 매우 중요한 역할을 한다. 단백질을 암호화하지 않는 RNA (non-protein coding RNA; 이하 NPCR)은 단백질의 번역을 조절하기도 한다. DNA가 기능하는 산물(단백질)을 만들어내는 과정을 "유전자 발현(gene expression)"이라 한다.

 2006년, 스페인 과학자들이 보고하기를, NPCR은 대부분의 모든 유전자 발현 과정에 관여한다고 했다. 2009년, 일본의 과학자들은 "최근 몇년간  NPCR에 관한 기대하지 못했던 매우 다양한 기작들을 알아냄에 따라, NPCR의 매우 중요한 기능중 아마도 매우 일부만 발견한 것일지도 모른다"고 보고 했다.

최근 발견에서는 NPCR이 세포의 핵 내에서 유전자 발현을 조절하는 '파라스펙클(paraspeckels)'의 매우 필수적 구성성분임을 보여주고 있다. 특정 단백질에 결합함으로서 NPCR은 paraspeckels의 구조를 안정화하고 이를 통해 세포분열을 지속할 수 있도록 하게 한다.

 

4장

진핵생물에서의 유전자는 단백질을 암호화하는 exon과 단백질을 암호화하지 않는 intron으로 나뉜다. exon과 intron은 모드 전사되지만 intron은 잘려없어지고 여러가지 방법으로 exon이 잘려붙게된다. 결국 하나의 단백질을 암호화하는 부위라 하더라도 수백, 수천개의 다른 단백질이 나올수 있게 된다.

 그렇다고해서 intron이 단순한 공간만을 차지하는 역할을 하는 것은 아니다. 캐나다와 영국의 연구팀은 2010년에 보고하기를 intron은 유전자 스플라이싱(splicing)을 인지하는 부위가 매우 많다는 것을 보고했다. 이전에 사람들은 예측하기를 이러한 부위는 exon근처에 존재할 것이라 생각되었지만 이 연구팀의 결론은 제시하기를 "조절 인자는 이전에 생각되었던것보다 더욱 깊숙이 존재한다"고 보고했다.

 인간에서는 intron역시 상당부분의 small RNAs를 암호화하고 있고 이들의 역할은 메신저 RNA (mRNA)가 단백질로 전사되는 과정을 조절하는데 관여하고 있다. 더욱이, intron에서부터 전사된 NPCR은 DNA, RNA, 단백질의 복합체인 크로마틴(chromatin)을 조절함으로서 유전자 발현에 영향을 준다.

 

5장

Psuedogene은 원래의 유전자 혹은 다른 개체에서의 해당 유전자가 단백질을 암호화하지만 불활성화되어있는 서열을 의미한다. 하지만 psuedogene으로 가정되었던 것이 실제 기능하는 단백질로 알려지는 경우가 있었기때문에 이런 것들은 pseudogene은 결코 아닌 셈이다.

 일부 다른 pseudogene은 RNA를 만들어내어 원래의 기능하는 유전자의 발현을 조절을 억제하기도 한다. DNA는 상보적인 두개의 가닥으로 되어있고; 생물학자들은 오직 하나만이 RNA를 만들어내는 'sense strand'라고 하고 다른 하나는 단지 유전자가 복제할때 생기는 'antisense strand'라고 한다. 하지만 RNA가 두가닥 모두에서부터 전사된다는 것이 이미 알려졌으므로, psuedogene 역시 NPCR로 전사가 될 수 있고, 이들 역시 기능하는 단백질을 암호화하는 RNA의 상보적인 가닥이 되게 된다. 따라서 불활성화하는 기작이 가능케 된다 - 이 과정은 RNA 간섭(interference)라 한다.

 여전히 다른 pseudogene이 RNA를 생산해내고 해당하는 기능하는 유전자들의 발현을 증가시키기도 한다. 세포는 단백질을 암호화하는 RNA를 분해함으로서 유전자 발현을 조절하는 분자들을 가지고 있다. 물론 pseudogene으로부터 전사된 RNA는 단백질을 암호화하지 않더라도 단백질을 암호화하는 RNA와 매우 유사하다. 따라서 이러한 RNA는 여전히 RNA를 분해하는 분자들의 작용을 받게되고 단백질을 암호화하는 RNA가 단백질을 계속 만들도록 도와준다. 이 현상을 연구한 미국 과학자들은 pseudogene이 '완벽한 위장 (decoys)'의 기능을 한다고 언급했다.

 

6장

인간 유전체의 절반정도는 반복되는 NPCR DNA이다. 대부분의 반복서열 DNA는 LINEs와 SINEs이다. 일부 반복서열은 RNA바이러스로부터 유래된 것처럼 보이기때문에 endogenous retro-viruses (ERVs)라 불리운다. 이러한 반복 NPCR 역시 다양한 기능을 한다는 근거들도 계속 발견되고 있다.

 예를 들면 여성의 경우 X 염색체가 두개가 있기때문에 하나의 염색체는 배아가 정상적으로 발달하기 위해 불활성화가 되어야 한다. 2010년 생물학자들이 X 염색체 불활성화에 관한 LINEs에 관한 두가지 기능을 발표했다. 첫째로, LINE DNA는 크로마틴의 재배열을 일으켜 특정 유전자들의 불활성화에 관여한다. 둘째로, LINEs에서 전사된 RNA는 X염색체의 특정 부위의 전사를 억제하는데 관여한다. LINEs는 또한 깨진 DNA를 복구하는데, 세포내에서의 다양한 RNA들이 운송되는데, 배아와 성체간에 다르게 조절되는 유전자들에도 관여를 한다.

SINEs는 DNA가 RNA로 전사되는 과정, 스플라이싱, 번역을 조절하는데에도 도움을 준다. 2009년 콜로라도의 과학자들이 보고하기를 "SINE에서 유래된 RNA는 생물학적 기능이 존재한다." 그들은 결론내리기를 "SINEs이 쓰레기 DNA라는 역사적인 개념을 반박한다'고 한바 있다. SINEs는 크로마틴에 영향을 주는 전사과정에도 관여를 한다. 2007년, 생물학자들은 생쥐의 배아에서 발견된 근거를 바탕으로 조직 특이적인 SINEs은 "아마 포유동물의 유전체내에  유전자 조절을 위해 기능적으로 구별된 부위등을 발생학적으로 조절하는 전략을 의미할런지도 모른다"고 한바 있다.

ERV는 혈액세포들을 생산하는데 관련된 유전자들, bicarbonate를 수송하고 지방을 대사하는데 관련된 유전자들을 조절하는 것을 돕는다고 알려져있다. 또한 위장, 유선, 정소에서의 유전자 발현에 관여한다고 알려져있다. 아마도 ERV에서 가장 잘 알려진 것은 태반에서의 역할일 것이다. 초기 포유동물 배아가 착상을 할때, 배아의 세포는 자궁벽으로 이동하고 다핵세포와 결합하여 태아에게 영양분을 잘 공급하는 것을 촉진하도록 한다. 여기에서의 세포 결합(fusion)에 ERV에서 전사된 단백질 "syncytin"이 필요하다. 2009년 영국의 과학자들은 ERVs가 정말 단순히 쓰레기인지 이기적인 유전자인지는 열려있는 질문이었지만, syncytin은 일부 ERV가 생리학적으로 특이적인 기여를 한다는 명백한 근거라 한 바 있다.

 

7장

3-6장은 소위 '쓰레기 DNA'의 기능을 기술했다. 하지만 여전히 염기서열에 의존적이지 않은 기능에 대한 부분이 남아있고 이러한 부분 역시 다른 역할을 한다.

 유전체는 매우 위계질서가 있다. 이는 3가지 수준에서 기능을 한다. DNA분자 그 자체; DNA-RNA-단백질 복합체 (크로마틴); 염색체의 3차원적 구조. 이 모든 3가지 수준에서 DNA는 염기서열과 독립적인 기능을 가진다.

첫번째 수준에서 생물학자들은 주장하기를 DNA염기서열은 그 길이 자체에서 유전자 발현에 영향을 준다고 한다. 분자 생물학자 Emile Zuckerkandl은 2002년에 기술하기를 "유전체에서의 거리, 유전자의 상호작용의 복잡성에 기여한다고 가정되어야만 한다"고 주장했다. 예를 들면, intron의 길이는 전사과정에 영향을 줄 수 있을 것이다. 길이는 또한 루프(loops)의 길이에도 영향을 줄 수 있을것이고 이것은 멀리 떨어져있는 DNA와 상호작용하는 것을 가능하게하거나 NPCR의 사이즈에 영향을 주어  조절하는 분자들을 적당한 거리에 있도록할 수 있을지도 모른다.

 두번째 수준에서, 크로마틴 구조는 유전자 발현에 중요한 영향을 준다. 하지만 크로마틴 구조는 어떤 곳에서는 DNA 서열 자체와 독립이기도 하다. 2009년, 과학자들이 보고하기를 "서열이 달라졌음에도 비슷한 지역적 구조를 가질 수 있다"면서 제안하기를 "그들은 비슷한 생물학적 기능을 할지도 모른다."고 했다. 과학자들이 결론짓기를 "유전체에서 단백질을 암호화하지 않는 일부 기능적 정보는 염기서열에 의한 것이기도 하지만 또한 DNA구조에서 비롯된 것이기도 하다.

 염기서열과 독립적인 유전체의 기능중 최고의 예는 센트로미어(centromeres)이다. 센트로미어는 진핵생물의 염색체에서 특별한 부분으로서 세포내에서 염색체가 다른 기관들과 붙는데 역할을 한다. 센트로미어는 또한 키네토코어 (kinetochore)라는 세포분열과 함께 염색체를 운반하는 구조물의 기초가 된다. 센트로미어의 기능은 여러 개체들에서 유사하지만 DNA염기서열자체는 매우 다르다. 중요한 점은 세포가 특정한 방식으로 염색체를 싸매는 센트로미어의 특화된 기능은 염기서열에서 비롯된 것이 아니라는 점이다.

 세번째 수준에서, 핵내 염색체의 위치는 유전자 발현 조절에 매우 중요하다. 대부분의 세포에서 유전자가 많이 있는 부위는 핵의 중심 근처에 모여있으며 불활성화된 유전자는 핵의 주변부위로 옮겨져있는 경우가 많다. 하지만 일부의 경우에는 이게 뒤바뀐 경우가 있다. 야행성 포유동물의 망막 (retinas)의 간상세포 (rod cell)는 염색체에서 단백질을 암호화하지 않는부위가 핵의 중심에 가까이 위치한 핵을 가지고 있고, 이는 액상 크리스탈을 형성함으로서 어두운 빛에 초점을 맞추는 역할을 한다.

 

8장

과학자들이 이미 쓰레기 DNA라 불리우는 것들의 많은 기능을 발견하고 있음에도, 일부 과학자들은 최근에도 이 개념을 변호하려 한다. 2007년 캐나다 생물학자 T.Ryan Gregory는 쓰기를 : "일부 NPCD는 기능하는 것으로 증명되었다. 하지만 이는 매우 일부에 지나지 않는다. 단백질을 암호화하지 않는 모든 DNA가 기능하는 것으로 밝혀질때 거기에는 항상 ‘양파 테스트’ 라는 이슈가 남아있다." Gregory에 의하면 양파테스트란 NPCD의 보편적 기능을  밝혀낸 사람을 위한 실제적인 확인작업이라는 것이다. “당신이 제안하는 기능이 무엇이건간에 당신 스스로에게 질문을 해보아라 : 이 기능을 위해 양파는 인간보다 5배나 많은 NPCD가 왜 필요한가?”

 아무도 단백질을 암호화하지 않는 DNA의 보편적 기능을 안다고 주장하지 않는다. 대신 과학자들은 NPCD의 여러 다른 기능들을 발견해오고 있다. 이러한 기능은 뇌 세포에서의 스플라이싱을 조절하며 태반 발달에서 필수적인 역할을 한다. 왜 이런 기능을 밝혀낸 과학자들이 양파를 언급하며 그들의 연구를 정당화해야하는가? 양파는 뇌세포도 아니고 태반도 아닌데 말이다.

 2010년, 토론토의 연구자들은 보고하기를 "유전체는 이전에 보고된 것처럼 전체적으로 전사되지 않는다"고 했다. 다윈주의자 P.Z.Meyer에 의하면, '창조과학자(creationists)'들은 NPCD가 광범위한 기능을 한다는 개념을 좋아라하는데, 그 이유는 "그들은 쓰레기 DNA라는 개념을 혐오해서 -신이 쓸모없는 쓰레기들을 고의적으로 우리의 귀한 유전체에 뿌려놓았다는 것은 생각할수 없는 일이여서, 쓰레기 DNA가 뭔가 유용한 일이라도 하는것처럼 보이면 그들에게는 목적적인 설계의 근거라고 쉽게 확신하곤 한다." Myers는 토론토 연구자들의 결론을 대 환영했다 "사려깊은 연구자들이 결국 점수를 땄군. 창조과학자들에게는 빵점을 주지. 인간 유전체를 새로운 기술로 분석을 한 보고서가 나왔고 유전체가 전체적으로 전사가 된다는 예전의 보고서는 틀린 것으로 판명되었다." 요약하면 Myers는 결론내리기를 "유전체는 전사(transcription) 수준에서는 거의 죽은 것이고, 쓰레기는 여전히 쓰레기인 셈이다".

 하지만 토론토의 연구자들은 그러한 결과가 나올 수 밖에 없는 방법론을 쓴 것이었을 뿐이다. 그들은 대부분의 반복 서열을 제외하는 소프트웨어를 사용하여 분석을 했고 (이는 인간 유전체의 절반을 차지한다), 남은 절반 중에서 또 2/3의 RNA를 분석에서 제외한 것이었다. 이에 대한 반박 논문이 다른 유전체를 연구하는 생물학자들에 의해 출판되었고 토론토의 연구자들을 비판하기를 그들이 "상당부분의 RNA를 그들의 분석에서 제외했다"고 했으며 그들의 방법론을 비판하기를 "전사체(transcriptome)을 이해하는데 커다란 구멍들을 남겨놓은 것이 확실하다"고 했다.

 주어진 NPCD의 다양한 근거들에 비추어보면 쓰레기 DNA개념을 방어하는 사람들은 과학적 근거라기보다는 뭔가 다른 것에 의해 더 동기부여를 받는듯 싶다.

 

1. Dunham, I., Kundaje, A., Aldred, S.F., Collins, P.J., Davis, C.A., Doyle, F., Epstein, C.B., Frietze, S., Harrow, J., Kaul, R., et al. (2012). An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature 489, 57-74. [본문으로]