지금까지 꿀벌의 성별이 어떻게 결정되는지는 확실하지 않았습니다. 뒤셀도르프 하인리히 하이네 대학교(HHU)의 생물학자와 화학자로 구성된 연구팀이 핵심 유전자와 이와 관련된 분자 메커니즘을 확인했습니다. 과학 저널 Science Advances의 이번 호에서는 이 과정이 두 개의 주사위를 사용하는 게임과 어떻게 유사한지 설명합니다.
꿀벌의 성별을 결정하는 데 중요한 역할을 하는 Csd 유전자의 변종은 100개 이상 있을 수 있습니다. 이 유전자들은 유성 생식 중에 함께 모입니다. 게놈에 두 개의 서로 다른 Csd 유전자 변이가 포함되어 있으면 암컷 벌이 발생하고 그 후 자라납니다(왼쪽). 수정으로 인해 두 개의 동일한 변형이 발생하면 드론이 발달하지만 일벌은 드론을 키우지 않습니다. 드론벌(무인벌)은 무성생식을 통해 생산됩니다.
유기체의 성별은 유기체의 형태, 기능 및 행동에 중요한 영향을 미칩니다. 유기체의 생물학적 성별은 일반적으로 생애 초기에 결정됩니다. 예를 들어, 인간의 경우 성을 결정하는 "Y 염색체"의 존재 여부가 남성의 탄생 여부를 결정합니다.
1845년 초에 실레지아의 성직자 요한 지에르존(Johann Dzierzon)은 꿀벌(Apismellifera)의 성 결정 메커니즘을 연구했습니다. 그중에서도 그는 드론 꿀벌의 무성 생식, 즉 "드론 꿀벌"을 발견했습니다.
인간과 달리 벌은 성별을 결정하는 염색체가 하나만 있는 것이 아닙니다. 하버드대학교 진화유전학연구소 마틴 베이(Martin Beye) 교수 연구팀이 벌의 성별이 Csd(상보성 결정 유전자)라는 단일 유전자에 의해 특별한 메커니즘을 통해 결정된다는 사실을 밝혀냈다.
이 유전자는 소위 대립유전자라고 불리는 100개 이상의 변이를 가질 수 있습니다. 꽃과 같은 다른 경우에는 유전자의 서로 다른 대립 유전자가 꽃잎의 색을 결정할 수 있습니다.
유성 수정의 경우, 난자와 정자 세포의 개별 염색체 세트가 결합하여 양수체 염색체 세트를 형성합니다. 결과적으로, 성적으로 수정된 모든 벌은 이제 두 개의 Csd 유전자 변이체를 갖게 되었습니다.
뒤셀도르프의 꿀벌 연구자들은 새로운 발견을 했습니다. Csd 유전자의 두 대립 유전자가 다르면 암컷 꿀벌이 발달한다는 것입니다. 반대로, 두 염색체의 대립 유전자가 동일하면 드론이 발달합니다. 그러나 꿀벌은 근친교배를 피하고 싶어하기 때문에 일벌들은 이 알을 돌보지 않습니다.
이러한 성 결정이 분자 수준에서 어떻게 발생하는지에 대한 의문이 남아 있습니다. 주저자인 Marianne Otte 박사는 “우리는 Csd 유전자의 각 대립유전자가 서로 다른 관련 Csd 단백질 변이체를 생산한다는 사실을 알아야 했는데, 이 변이체는 모두 약간씩 다릅니다.”라고 말했습니다. "이제 우리는 서로 다른 Csd 단백질만이 서로 결합하여 '여성'을 결정하는 분자 스위치를 활성화할 수 있다는 것을 보여줄 수 있었습니다. 대조적으로, 단백질이 동일하고 서로 다른 방식으로 결합하면 스위치가 활성화되지 않습니다. 이 경우 드론은 발달하지만 커지지는 않습니다."
Science Advances 연구의 마지막 저자인 Beyer 교수는 다음과 같이 말했습니다. "이것은 두 주사위의 분자 게임과 유사합니다. 그러나 이 경우 주사위를 두 배로 굴린 사람은 이기지 못합니다. 대신, 굴린 주사위는 새로운 벌, 즉 암컷 벌을 키우기 위해 두 개의 서로 다른 숫자를 생성해야 합니다."
대조적으로, 드론은 수정되지 않은 알에서 발달합니다. 따라서 이러한 드론은 동일한 Csd 단백질을 포함하는 단순한 염색체 세트만 가지고 있습니다. 알을 낳는 동안 여왕벌은 알에 정자를 첨가하지 않기로 결정합니다.
Ott 박사 "Csd 단백질의 스위치 기능을 추적함으로써 우리는 100년 이상 존재해 왔던 유전적 수수께끼를 풀었습니다." Beyer 교수는 추가 연구 문제에 대한 자신의 견해를 다음과 같이 밝혔습니다. "수정란에 두 가지 다른 Csd 단백질이 포함되어 있어 '암컷'으로 전환되는지 여부를 식별하기 위해 일벌이 어떤 메커니즘을 사용하는지는 아직 알려져 있지 않습니다. 벌집의 빛이 어두우므로 후각적 단서가 있어야 합니다."
이번 결과는 꿀벌 사육 대책의 발전에 활용될 것으로 기대된다.