암컷 꿀벌은 아빠와 엄마(여왕)로부터 유전자를 물려받지만, 결국 모두 같은 역할을 하게 되는 것은 아닙니다.

어떤 암컷 벌들은 번식하는 여왕벌이 되고, 어떤 암컷 벌들은 알을 낳지 않고 평생 자매들을 돌보는 일벌이 됩니다. 이러한 극적인 차이는 무엇 때문에 생기는 걸까요?

새로운 연구에 따르면 부모 유전자 사이에 줄다리기 현상이 나타나며, 어미 유전자와 아빠 유전자가 발달 중인 벌 유충을 서로 다른 방향으로 끌어당긴다는 사실이 밝혀졌습니다.

꿀벌의 운명에 있어서 부모 유전자의 역할

펜실베이니아 주립대 과학자들이  여왕벌 과 일벌  사이의 균형을 깨는 분자 메커니즘을 밝혀냈습니다   . 이 연구는 벌의 부모 유전자가 중요한 발달 단계에서 어떻게 서로 경쟁하는지 보여줍니다.

"어머니의 유전자와 아버지의 유전자가 당신의 발달 방식에 대해 끊임없이 의견이 다르다고 상상해보세요. 그것이 바로 유전체 각인이며, 우리는 꿀벌에서 인간에 이르기까지 생명의 나무 전체에서 이런 현상이 일어나는 것을 볼 수 있습니다."라고 이 연구의 주저자인 숀 브레스나한이 설명했습니다.

"우리는 이러한 유전적 '논쟁'이 꿀벌 유충이 여왕벌이나 일벌로 성장하는 중요한 발달 시기에 발견될 수 있다는 것을 발견했습니다."

그 창문은 알을 낳은 지 불과 192시간 만에 쾅 닫힙니다   . 그때쯤이면 벌의 유전자가 알의 운명을 결정짓습니다.

꿀벌 유전자의 차이점 탐구

어미벌로부터 물려받은 유전자(matrigenes)와 아비벌로부터 물려받은 유전자(patrigenes)의 차이를 연구하기 위해 연구진은 기계수정이라는 기술을 사용했습니다. 이 기술을 통해 어떤 여왕벌이 어떤 수벌과 교미하는지 조절할 수 있었습니다.

그런 다음 연구팀은 RNA(DNA에서 단백질을 만드는 지침을 전달하는 분자)를 분석하고, 어미로부터 왔는지 아비로부터 왔는지에 따라 유전자 활동을 비교하여 결과적으로 태어난 벌 유충에서 유전자 발현이 어떻게 달라지는지 추적했습니다.

브레스나한은 "여왕벌로 운명지어진 유충에서는 부계 유전자가 더 높은 수준으로 발현되고, 일벌로 운명지어진 유충에서는 모계 유전자가 더 높은 수준으로 발현되는 것을 발견했습니다."라고 말했습니다.

꿀벌 유전자 사이의 줄다리기

연구팀은 거기서 멈추지 않았습니다. 그들은 부모 유전자가 실제로 어떤 역할을 하는지 알고 싶었습니다. 유전자가 영향을 미치는 세포 경로를 분석하여 명확한 패턴을 발견했습니다.

브레스나한은 "동일한 경로에서 모계 유전자와 부계 유전자의 발현이 놀랍도록 일치하는 것을 확인했습니다."라고 말했습니다.

"모유전자의 발현이 증가하면 부유전자의 발현은 같은 경로에서 감소하거나 그 반대의 경우가 있는데, 이는 두 유전자가 서로 상반되게 작용한다는 것을 보여줍니다."

"한 유전자가 부모에게서만 특이적으로 발현되는 경우, 같은 경로에 있는 다른 유전자는 반대쪽 부모에게서만 특이적으로 발현됩니다."

그러니까 단순히 무작위적인 결과가 아니었습니다. 모계 유전자와 부계 유전자가 벌의 운명을 놓고 서로 정반대되는 양상을 띠고 있었던 것입니다.

이번에는 DNA 메틸화가 아닙니다

많은  동식물 에서  이러한 유전적 갈등을 일으키는 기전은 DNA 메틸화라는 과정입니다. 이 과정은 DNA에 화학적 태그를 추가하여 유전자의 활성화 여부에 영향을 미칩니다.

하지만  꿀벌의 경우 , 이전 연구에서는 메틸화가 이러한 역할을 하지 않는다는 것이 밝혀졌습니다. 그래서 연구팀은 또 다른 가능성, 즉 히스톤을 살펴보았습니다.

DNA는 세포 내에서 느슨하게 떠다니는 것이 아닙니다. 히스톤이라는 단백질에 단단히 감겨 크로마틴이라는 구조를 형성합니다. 크로마틴의 모양과 구조는 어떤 유전자가 접근 가능하고 활성화되는지를 조절하는 데 도움이 됩니다.

히스톤 단백질에 화학적 태그를 붙여 변화시키면 DNA 자체를 변화시키지 않고도 유전자 발현에 영향을 미칠 수 있습니다.

꿀벌 유전자는 히스톤의 영향을 받습니다.

연구 공동 저자인 숀 마호니가 개발한 기술을 사용하여 연구진은 히스톤 결합 DNA를 표적으로 삼았습니다. 표지된 히스톤 단백질과 이 단백질이 상호작용하는 DNA를 분리하여 분석했습니다.

브레스나한은 "꿀벌에서 부모 유전자의 발현이 히스톤 변형에 의해 조절된다는 것을 발견했습니다."라고 말했습니다.

즉, DNA 자체가 아니라 히스톤의 화학적 변화가 어떤 부모 유전자가 활성화되었는지 결정하는 데 도움이 됩니다. 그리고 이러한 유전자 활동은 궁극적으로 유충이 여왕벌이 될지 일벌이 될지를 결정합니다.

브레스나한은 "꿀벌에서 관찰되는 현상은 한 걸음 물러서서 살펴보면 그렇게 특이한 것은 아닙니다. 부모 기원 효과를 위한 히스톤 기반 메커니즘은 DNA 메틸화 기반 시스템보다 생명의 나무 전반에 걸쳐 더 널리 활용됩니다."라고 설명했습니다.

"우리는 이러한 염색질 매개 각인 메커니즘을 꽃식물과 태반 포유류에서도 발견합니다. 따라서 꿀벌, 그리고 어쩌면 다른 사회성 곤충들도 이러한 유전적 갈등을 중재하기 위해 조상으로부터 물려받은 도구를 사용하고 있을지도 모릅니다."라고 그는 말했습니다.

이 연구가 중요한 이유

이러한 부모 갈등이 ​​어떻게 작용하는지 이해하는 것은 현실 세계에 시사점을 줄 수 있습니다. 예를 들어, 회복력이나 생산성과 같은 원하는 특성을 가진 벌을 번식시키는 새로운 방법을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 연구의 공동 저자인 크리스티나 그로징거는 그녀의 연구실에서 이러한 유전적 역학이 수유와 같은 행동에 어떤 영향을 미치는지 탐구할 계획이라고 밝혔습니다. 수유는 일부 일벌이 새끼를 돌보는 데 특화되어 있습니다.

이 프로젝트는 곤충에만 국한되지 않습니다. 브레스나한은 현재 유전적 갈등이 인간의 특성, 특히 임신 중 모자 건강과 관련된 특성에 어떻게 영향을 미치는지 연구하고 있습니다.

브레스나한은 "부모-원주민 관계에 대한 효과를 연구하면서 개발한 기술은 태반을 통해 매개되는 모자 건강에 대한 현재 연구에 직접적으로 적용되었습니다."라고 말했습니다.

"저는 특히 태반 매개 형질과 관련된 부모 유전자 발현에 관심이 있습니다. 여기에는 초기 대사 및 신경정신 질환 위험 프로그래밍이 포함되는데, 이를 통해 임신 합병증과 자손 건강 결과를 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다."

이 연구는 유사한 DNA가 어떻게 벌, 인간, 식물 등에서 극적으로 다른 삶을 살게 하는지에 대한 미스터리를 한 겹 더 벗겨냅니다   . 그리고 유전의 이야기는 단순히 우리가 어떤 유전자를 얻는가에 관한 것이 아니라, 어떤 유전자가 논쟁에서 승리하는가에 관한 것임을 일깨워줍니다.