RIKEN 바이오시스템 역학 연구 센터(BDR)의 미시나 타페이(Tappei Mishina)가 이끄는 연구팀은 기생충이 훔친 유전자를 사용하여 숙주를 조작하며 이러한 유전자가 수평 유전자 전달이라는 현상을 통해 획득될 가능성이 높다는 사실을 발견했습니다. 이번 연구 결과는 최근 Current Biology 저널에 게재되었습니다.
많은 기생충은 생존과 번식 능력을 보장하기 위해 숙주의 행동을 조작합니다. Ironworms는 이러한 행동 제어의 가장 복잡한 예 중 하나를 제공합니다. 선충은 물에서 태어나 하루살이 같은 수생곤충을 이용해 히치하이킹을 통해 마른 땅으로 이동한 뒤 귀뚜라미나 사마귀 같은 육지 곤충이 잡아먹기를 기다립니다.
철벌레가 이러한 숙주에 도달하면 성장하기 시작하고 숙주의 행동을 조작합니다. 성숙한 철벌레는 결국 숙주를 속여 물에 뛰어들게 하고, 종종 숙주가 결국 죽게 되어 생애 임무를 완수하고 번식할 수 있게 됩니다.
이전 연구에서는 철벌레가 숙주의 생물학적 경로를 가로채고 빛을 향한 움직임을 증가시켜 숙주가 수역에 접근하게 만드는 것으로 나타났습니다. 과학자들은 이것이 숙주의 중추신경계의 분자를 모방함으로써 달성된다고 믿고 있지만, 이 기생충이 정확히 어떻게 이러한 분자 모방을 발전시켰는지는 미스터리였습니다.
이 질문에 답하기 위해 연구자들은 사마귀 숙주를 조작하기 전, 조작하는 동안, 조작한 후에 척색 철벌레의 전신 유전자 발현을 분석했습니다. 그들은 숙주를 조작했을 때 3,000개 이상의 철벌레 유전자 발현이 증가한 반면, 1,500개 이상의 유전자 발현이 감소했다는 사실을 발견했습니다. 반면에 사마귀 뇌의 유전자 발현은 아무런 변화도 보이지 않았으며 실제로 감염되지 않은 사마귀의 유전자 발현과 구별할 수 없었습니다. 이러한 결과는 철벌레가 숙주의 신경계를 조작하기 위해 자체 단백질을 생산한다는 것을 암시합니다.
다음으로 연구자들은 철벌레가 사마귀를 조작하는 데 사용하는 유전자의 기원을 조사하기 위해 단백질 데이터베이스를 검색했습니다. “놀랍게도 숙주를 조작하는 데 중요할 수 있는 철벌레 유전자 중 다수는 사마귀 유전자와 매우 유사하며, 이는 이 철벌레가 수평적 유전자 전달을 통해 획득되었음을 암시합니다.”라고 Misina는 말했습니다. "수평적 유전자 전달은 생식을 통하지 않고 한 유기체에서 다른 유기체로 유전자가 전달되는 생물학적 과정입니다. 이는 생물학적 진화에 큰 영향을 미칠 수 있어 유기체가 새로운 환경이나 생활 방식에 적응하는 데 도움이 되는 새로운 유전자나 기능을 빠르게 획득할 수 있습니다.
추가 분석을 통해 척색 철벌레의 분자 의태는 사마귀의 수평적 유전자 전달의 결과일 가능성이 높다는 생각이 뒷받침되었습니다. 특히, 이 연구는 사마귀에서 발견된 것과 일치하지만 사마귀 숙주를 사용하지 않는 철벌레 종과는 없거나 상당히 다른 1,400개 이상의 철벌레 유전자를 발견했습니다. 저자들은 그들이 발견한 다수의 의태 유전자는 철벌레가 진화하는 동안 다양한 사마귀 종에서 발생한 다중 수평 유전자 전달 사건의 결과일 가능성이 높다고 결론지었습니다. 이러한 유전자, 특히 신경 조절, 빛에 대한 매력 및 일주기 리듬과 관련된 유전자는 숙주 조작에 역할을 하는 것으로 보입니다.
수평적 유전자 전달은 박테리아가 항생제에 대한 내성을 갖게 되는 주요 방법 중 하나입니다. Misina는 다세포 유기체 사이의 수평적 유전자 전달에 대한 더 많은 사례를 발견하면 이 현상과 전체 진화 과정에 대한 더 깊은 이해를 갖게 될 것이라고 믿습니다. "철벌레에서 발견된 수평적 유전자 전달의 많은 사례는 좋은 연구 모델이 될 수 있습니다. 이 모델을 사용하여 우리는 수평적 유전자 전달의 기본 메커니즘을 찾아내고 진화 적응에 대한 이해를 향상시킬 수 있기를 바랍니다."