유전 암호 기원을 초기 단백질 구조에서 찾다

by Marianne Stein, University of Illinois at Urbana-Champaign
 

출처: Journal of Molecular Biology (2025). DOI: 10.1016/j.jmb.2025.169396

 
유전자는 생명의 기본 요소이며, 유전 암호genetic code는 유기체의 기능을 담당하는 복잡한 과정에 대한 지침을 제공한다.

그렇다면 유전자는 어떻게, 그리고 왜 현재의 모습을 갖게 되었을까?

일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스 최근 연구는 유전 암호의 기원과 진화에 대한 새로운 시각을 제시하며, 유전 공학과 생물정보학에 귀중한 통찰력을 제공한다. 이 연구는 Journal of Molecular Biology에 게재되었다.

"우리는 생물체의 단백질 집합체인 프로테옴proteome의 디펩타이드 구성dipeptide composition과 신비롭게 연결된 유전 코드의 기원을 발견했다"고 일리노이 대학교 칼 일리노이 의과대학 작물 과학과, 칼 R. 워즈 게놈 생물학 연구소, 생물의학 및 번역 과학과 교수이자 논문 책임 저자인 구스타보 카에타노-아놀레스Gustavo Caetano-Anollés가 말했다.

카에타노-아놀레스 연구는 생물 유전체 간 진화적 관계를 연구하는 계통유전학에 중점을 둔다.

그의 연구팀은 이전에 단백질 도메인protein domains (단백질의 구조 단위)과 단백질 합성 과정에서 아미노산amino acids을 리보솜ribosome 으로 전달하는 RNA 분자인 전달 RNA transfer RNA (tRNA)의 진화적 타임라인을 매핑하는 계통수를 구축했다. 

이 연구에서 그들은 다이펩타이드 서열dipeptide sequences (펩타이드 결합peptide bond으로 연결된 두 아미노산의 기본 모듈)의 진화를 탐구하여 도메인, tRNA, 그리고 다이펩타이드의 역사가 모두 일치한다는 것을 발견했다. 

지구상 생명은 38억 년 전에 시작되지만, 유전자와 유전 암호는 그로부터 8억 년 후에야 나타났으며, 그 발생 과정에 대해서는 서로 상충되는 이론들이 있다. 

어떤 과학자들은 RNA 기반 효소 활동이 먼저 시작되었다고 믿는 반면, 다른 과학자들은 단백질이 먼저 함께 작용하기 시작했다고 주장한다.

지난 수십 년 동안 카에타노-아놀레스와 그의 동료들이 수행한 연구는 후자의 견해를 뒷받침하며, 리보솜 단백질과 tRNA 상호작용이 진화적 타임라인에서 나중에 나타났다는 것을 보여준다. 

카에타누-아놀레스는 생명은 서로 밀접하게 작용하는 두 가지 코드로 작동한다고 설명했다.

유전 코드는 핵산nucleic acids (DNA와 RNA)에 지시 사항을 저장하고, 단백질 코드는 효소와 다른 분자들에게 세포의 생명 유지 및 작동 방식을 알려준다.

이 둘을 연결하는 것은 세포의 단백질 공장인 리보솜으로, tRNA 분자가 운반하는 아미노산을 단백질로 조립한다.

아미노산을 tRNA에 적재하는 효소를 아미노아실 tRNA 합성효소aminoacyl tRNA synthetases라고 한다. 이 합성효소는 유전 코드를 지키는 수호자 역할을 하며 모든 것이 제대로 작동하는지 감시한다. 

"생명은 왜 유전자와 단백질, 두 가지 언어에 의존하는 걸까?" 카에타누-아놀레스는 질문했다.

"우리는 아직 이러한 이중 시스템이 존재하는 이유와 두 가지를 연결하는 요인이 무엇인지 알지 못합니다. RNA는 기능적으로 복잡하기 때문에 그 역할을 할 수 없습니다. 반면에 단백질은 세포의 정교한 분자 기계를 작동하는 전문가입니다." 

프로테옴은 유전 암호의 초기 역사를 담아내는 데 더 적합한 것으로 보였으며, 특히 디펩타이드는 단백질의 초기 구조 모듈로서 중요한 역할을 했다.

400가지 디펩타이드 조합이 가능하며, 그 존재비는 생물마다 다르다. 

연구팀은 고균Archaea, 세균Bacteria, 진핵생물Eukarya의 세 가지 초계(superkingdom)에 속하는 생물을 대표하는 1,561개 프로테옴에 걸쳐 43억 개 디펩타이드 서열 데이터 세트를 분석했다.

이 정보를 활용하여 계통수와 디펩타이드 진화 연대기를 구축했다.

또한, 유사한 패턴이 나타나는지 확인하기 위해 디펩타이드를 단백질 구조 도메인 계통수에 매핑했다. 

이전 연구에서 연구진은 tRNA 계통수를 구축하여 아미노산이 유전 암호에 진입하는 과정을 시간적으로 분석하고, 아미노산을 출현 시점에 따라 세 그룹으로 분류했다. 

가장 오래된 그룹은 티로신tyrosine, 세린serine, 류신leucine을 포함하는 그룹 1과 8개 추가 아미노산을 포함하는 그룹 2였다.

이 두 그룹은 아미노산의 부정확한 로딩을 수정하는 합성효소 효소 편집의 기원과, 각 코돈codon이 단일 아미노산에 대응하도록 하는 최초의 특이성 규칙을 확립한 초기 작동 코드와 관련이 있었다.

그룹 3에는 나중에 등장하여 표준 유전 코드와 관련된 파생 기능과 연결된 아미노산이 포함되었다. 

연구진은 이미 아미노산 출현과 관련하여 합성효소와 tRNA의 공진화co-evolution를 입증했다. 이제 그들은 분석에 디펩타이드를 추가할 수 있게 되었다. 

"결과가 일치한다는 것을 발견했다"고 카에타노-아놀레스는 설명했다.

"일치성은 계통발생학 분석의 핵심 개념입니다. 한 유형의 데이터로 얻은 진화론적 진술이 다른 유형의 데이터로 확인된다는 것을 의미합니다. 이 경우, 단백질 도메인, tRNA, 그리고 디펩타이드 서열이라는 세 가지 정보원을 조사했습니다. 세 가지 모두 특정 순서로 유전 암호에 아미노산이 추가되는 동일한 진행 과정을 보여줍니다." 

또 다른 새로운 발견은 디펩타이드 쌍dipeptide pairs의 출현에서 나타나는 이중성duality이었다. 각 디펩타이드는 두 개의 아미노산을 결합한다.

예를 들어 알라닌-류신(alanine-leucine AL)은 결합하는 반면, 대칭적인 디펩타이드인 항-디펩타이드anti-dipeptide는 류신-알라닌leucine-alanine (LA)의 반대 조합을 갖는다.

한 쌍을 이루는 두 디펩타이드는 상보적complementary이며, 서로의 거울상이라고 할 수 있다. 

"계통발생학 나무에서 주목할 만한 것을 발견했다"고 카에타노-아놀레스는 말했다.

"대부분의 디펩타이드와 항디펩타이드 쌍은 진화적 타임라인에서 매우 가깝게 나타났습니다. 이러한 동시성은 예상치 못한 것이었습니다. 이러한 이중성은 유전 암호에 대한 근본적인 무언가를 드러내며, 생물학에 잠재적으로 혁신적인 의미를 지닙니다. 이는 디펩타이드가 핵산 유전체nucleic acid genomes의 상보적인 가닥, 즉 원시 합성효소 효소와 상호작용하는 최소한의 tRNA에 암호화되어 발생했음을 시사합니다." 

디펩타이드는 임의의 조합으로 발생한 것이 아니라, 단백질 접힘protein folding과 기능을 형성하는 중요한 구조적 요소로 나타났다. 이 연구는 디펩타이드가 초기 RNA 기반 작동 코드와 함께 초기 단백질의 구조적 요구에 대응하여 나타난 원시 단백질 코드를 나타낸다고 시사한다.

이 과정은 공진화co-evolution, 분자 편집molecular editing, 촉매 작용catalysis, 그리고 특이성에 의해 형성되었으며, 궁극적으로 현대 유전 암호의 수호자인 합성효소synthetase enzymes를 탄생시켰다. 

유전 암호의 진화적 뿌리를 밝히는 것은 생명의 기원에 대한 우리의 이해를 심화하고 유전 공학, 합성 생물학, 생물 의학 연구와 같은 현대 분야에 영향을 미친다. 

카에타누-아놀레스는 "합성 생물학Synthetic biology은 진화적 관점의 가치를 인식한다. 자연이 설계를 주도하도록 함으로써 유전 공학을 강화한다.

생물학적 구성 요소와 과정의 고대성을 이해하는 것은 그들의 회복력과 변화에 대한 저항성을 강조하기 때문에 중요하다.

의미 있는 변형을 위해서는 유전 암호의 제약과 근본적인 논리를 이해하는 것이 필수적이다"고 말했다. 

More information: Minglei Wang et al, Tracing the Origin of the Genetic Code and Thermostability to Dipeptide Sequences in Proteomes, Journal of Molecular Biology (2025). DOI: 10.1016/j.jmb.2025.169396 

Journal information: Journal of Molecular Biology 
Provided by University of Illinois at Urbana-Champaign 
 
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제목만 보고 고인류학 진화 이야기 아닐까 싶어 뛰어들었다가 무슨 말인지 하나도 모르는 사태로 귀결했다. 

버리기 아까워 일단 전재하지만, 자동번역 기대어 약간 수정하는 선에서 탑재하지만 혹 관심 있는 이 없지는 않을지도 몰라서다.