양봉 꿀벌의 운명을 결정하는 유전자 싸움
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꿀벌의 운명을 결정하는 유전자 싸움
동일한 유전적 지시를 받았음에도 불구하고, 암컷 꿀벌 유충은 장수하는 생식 여왕벌로 발달하거나, 자신의 알을 낳기보다는 자매를 양육하는 단명한 불임 일벌로 발달할 수 있습니다.이제 펜실베이니아 주립대 연구진이 이끄는 학제간 팀이 아버지와 어머니로부터 유전된 유전자 간의 갈등이 유충의 운명을 결정하는 방식을 제어하는 분자적 메커니즘을 밝혀냈습니다. 그들은 이번 주(6월 18일) Genome Biology
에 연구 결과를 발표했습니다 . "어머니의 유전자와 아버지의 유전자가 당신의 발달 방식에 대해 끊임없이 의견이 다르다고 상상해 보세요.그것이 바로 유전체 각인이며, 우리는 꿀벌에서 인간에 이르기까지 생명의 나무 전체에서 일어나는 것을 봅니다."라고 펜실베이니아 주립대 허크 생명과학 연구소의 분자, 세포 및 통합 생명과학 학제 대학원 학위 프로그램의 박사 과정생으로 연구를 수행한 연구의 주저자 숀 브레스나한이 말했습니다. 당시 미국 국립과학재단(NSF) 대학원 연구 펠로우십의 지원을 받은 브레스나한은 2024년에 졸업했고 현재 텍사스 대학교 MD 앤더슨 암센터의 데이터 과학자입니다. "우리는 이 유전적 '논쟁'이 꿀벌 유충이 여왕벌이나 일벌이 되는 중요한 발달적 시기에 감지될 수 있다는 것을 발견했습니다." 이 중요한 시기는 닫히고 알을 낳은 후 192시간이 지나면 벌의 운명은 돌이킬 수 없게 됩니다. 아버지로부터 유전된 유전자인 부계와 어머니로부터 유전된 유전자인 모계를 구별하기 위해, 펜실베이니아 주립대학교 수분매개자 연구 센터 의 연구 기술자인 연구 공동 저자 케이트 앤턴 은 기계 수정을 사용하여 선택된 여왕벌과 드론이라고 알려진 수컷벌 사이에 특정 유전자 교배를 만들었습니다. 연구진은 펜실베이니아 주립대 게놈 연구 인큐베이터 와 협력하여 유충의 RNA를 분석했습니다. RNA는 유전된 유전 정보를 포함하고 이를 사용하여 단백질을 생성하고 세포 활동을 지원하며, 두 그룹 간에 다르게 발현되는 유전자를 식별했습니다. 또한 연구진은 부모의 유전체를 시퀀싱하고 유전자 마커를 사용하여 유충의 부모 유래 유전자 발현을 추적했습니다. 즉, 유전자가 어미에게서 왔는지 아비에게서 왔는지에 따라 유전자 발현이 어떻게 달라지는지 확인할 수 있었습니다. 브레스 나한은 "여왕으로 태어난 유충에서는 부유전자가, 일벌로 태어난 유충에서는 모유전자가 더 높은 수준으로 발현되는 것을 발견했습니다."라고 말했습니다. 그런 다음 연구진은 부모 유래 유전자 발현을 보이는 유전자가 동일한 경로에서 기능하는지 확인하기 위해 세포 및 생리 경로를 조사했습니다.
브레스나한은 "동일한 경로에서 모계 유전자와 부계 유전자의 발현이 놀랍도록 일치하는 것을 확인했습니다."라고 말하며, 모계 유전자의 발현이 증가하면 부계 유전자의 발현은 감소하거나, 그 반대의 경우도 마찬가지라고 설명했습니다. 이는 두 유전자가 서로 상반되는 작용을 한다는 것을 보여줍니다. "한 유전자가 부모 유전자 특이적 발현을 보이면, 동일 경로에 있는 다른 유전자는 반대쪽 부모 유전자 특이적 발현을 보였습니다."
연구팀은 이전에 DNA 메틸화(단백질 태그가 기저 DNA를 변화시키지 않고 유전자 발현 방식을 바꾸는 과정)가 이러한 유전자 발현 차이의 분자적 기전인지 여부를 조사했습니다. 연구 공동 저자
이자 허크 생명과학 연구소 소장이자 곤충학과 푸블리우스 베르길리우스 마로 교수인 크리스티나 그로징거는 "포유류와 식물에서 각인 유전자(한 부모에게서 물려받은 정보만 발현되는 유전자)의 발현 차이는 일반적으로 특정 DNA 서열이 발현을 제어하는 조절 영역의 DNA 메틸화 차이에 의해 매개됩니다."라고 말했습니다. "하지만 우리의 이전 연구에서는 DNA 메틸화가 꿀벌에서 이러한 기능을 하지 않는다는 것을 발견했습니다."
연구진은 꿀벌의 유전자 발현에 영향을 미치는 것이 DNA의 태그가 아니라 DNA가 스스로를 감싸는 구조의 태그일 수 있다는 가설을 세웠습니다. DNA는 히스톤 단백질을 감싸는 크로마틴이라는 구조를 가지고 있습니다. 세포 생식 과정에서 크로마틴은 염색체로 응축됩니다. 일반적으로 발달 중인 다세포 생물은 각 부모로부터 동일한 수의 염색체를 물려받으며, 이를 통해 생물의 특정 유전적 구성을 구성하는 유전자 풀을 형성합니다. 연구팀은 세포 과정의 결과로 단백질 꼬리에 부착된 화학적 "태그"로 인해 히스톤 단백질 구조가 변화하여 부유전자와 모유전자가 다른 조절 인자에 더 쉽게 접근하거나 덜 접근하게 될 수 있다는 가설을 세웠습니다. 이러한 조절은 부유전자의 발현을 변화시킬 수 있습니다. 이 가설을 검증하기 위해 연구팀은 펜실베이니아 주립대학교 진핵 유전자 조절 센터
와 생화학 및 분자생물학과의 부교수이자 연구 공동 저자인 숀 마호니가 개발한 방법을 사용했습니다 . 이 과정은 단백질(이 경우 히스톤 단백질)에 결합된 DNA를 단편화한 다음, 태그된 단백질에 특이적인 항체를 사용하여 이 단백질을 포획하고 나머지 크로마틴에서 분리하는 과정을 포함합니다. 연구진은 포획된 단백질과 교차 결합된 DNA를 분석하여 어떤 유전자가 관여하고 발현되는지 또는 억제되는지 확인할 수 있습니다. 브레스나한은 "꿀벌에서 부모 유전자의 발현이 히스톤 변형에 의해 조절된다는 것을 발견했습니다."라고 말했습니다.
그는 히스톤 단백질을 변형하는 화학적 태그가 부계 유전자와 모계 유전자 중 어느 유전자가 발현되는지, 그리고 궁극적으로 꿀벌이 여왕벌이 될지 일벌이 될지를 조절하는 것으로 보인다고 설명했습니다. 연구진이 처음 생각했던 것처럼 DNA 메틸화가 근본적인 메커니즘은 아니지만, 브레스나한은 놀라운 발견이 아니라고 말했습니다.
"한 걸음 물러서서 생각해 보면, 꿀벌에서 관찰되는 것은 사실 그렇게 특이한 것은 아닙니다. 부모 기원 효과를 위한 히스톤 기반 메커니즘은 DNA 메틸화 기반 시스템보다 생명 계통수 전반에 걸쳐 더 널리 활용됩니다."라고 브레스나한은 말했습니다. "이러한 크로마틴 매개 각인 메커니즘은 꽃식물과 태반 포유류에서도 발견됩니다. 따라서 꿀벌, 그리고 어쩌면 다른 사회성 곤충들도 이러한 유전적 갈등을 조절하기 위해 조상으로부터 물려받은 도구를 사용하고 있을지도 모릅니다."
그로징거에 따르면, 이러한 이해는 다양한 행동과 특성을 가진 꿀벌을 선택적으로 번식시키는 데 도움이 될 수 있으며, 이는 더욱 생산적이고 회복력이 강한 벌 군집을 만드는 데 도움이 될 수 있다고 합니다. 연구실에서는 유전체 내 갈등이 유모벌이라고 불리는 꿀벌 집단이 어린 벌을 키우는 데 어떤 영향을 미치는지 연구할 계획이라고 합니다.
브레스나한은 이 프로젝트를 통해 습득한 기술이 현재 연구에 적용됨에 따라 이 프로젝트가 꿀벌을 넘어 확장될 것이라고 말했습니다. 새로운 역할에서 브레스나한은 유전적 갈등이 복잡한 특성과 사회 시스템을 형성하는 방식을 계속 탐구하고 있지만, 현재는 태반이 인간의 모자 건강에 영향을 미치는 특성에 어떻게 영향을 미치는지에 집중하고 있습니다. 브레스
나한은 "원조 부모의 영향을 연구하면서 개발한 기술은 태반을 통해 매개되는 모자 건강에 대한 현재 연구에 직접적으로 적용됩니다."라고 말했습니다. "저는 특히 태반 매개 형질과 관련된 부모-원산 유전자 발현, 즉 임신 합병증과 자손 건강 결과를 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있는 대사 및 신경정신 질환 위험의 초기 프로그래밍에 관심이 있습니다."
퍼듀 대학교 곤충학 부교수인 브록 하퍼 또한 이 연구에 기여했습니다. 미국 국립과학재단(NSF), 미국 농무부 국립식량농업연구소(NIFAA), 해치 세출예산(Hatch Appropriations), 퍼블리우스 마로 교수직, 그리고 허크 생명과학연구소가 이 연구를 지원했습니다.
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