새로운 국제 연구에 따르면, 오랫동안 유전적 "쓰레기"로 치부됐던 우리 유전체에 내장된 고대 바이러스 DNA가 실제로 유전자 발현 조절에 강력한 역할을 할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 일본, 중국, 캐나다, 미국의 연구진은 MER11이라는 염기서열군에 초점을 맞춰, 이러한 요소들이 특히 초기 인간 발달 단계에서 유전자의 발현과 발현 억제에 영향을 미치도록 진화해 왔다는 사실을 밝혀냈다.

전이인자(TE)는 고대 바이러스에서 유래한 유전체 내 반복적인 DNA 서열이다. 수백만 년에 걸쳐 복사-붙여넣기(copy-and-paste) 방식을 통해 유전체 전체로 퍼져 나갔다. 오늘날 TE는 인간 유전체의 거의 절반을 차지한다. 한때는 아무런 유용한 기능을 하지 않는다고 여겨졌지만, 최근 연구에 따르면 일부 TE는 특정 세포 유형에서 주변 유전자의 활성을 조절하는 "유전자 스위치" 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 그러나 TE는 반복성이 높고 서열이 거의 동일한 경우가 많아 연구하기가 어려울 수 있다. 특히 MER11과 같은 젊은 TE 계열은 기존 유전체 데이터베이스에서 제대로 분류되지 않아 그 역할을 이해하는 데 한계가 있다.

이를 극복하기 위해 연구진은 TE를 분류하는 새로운 방법을 개발했다. 표준 주석 도구를 사용하는 대신, MER11 서열을 진화적 관계와 영장류 유전체 내 보존 정도를 기준으로 분류했다. 이 새로운 접근법을 통해 MER11A/B/C를 가장 오래된 것부터 가장 어린 것까지 네 개의 뚜렷한 하위 패밀리, 즉 MER11_G1부터 G4까지로 나눌 수 있었다.

이 새로운 분류법은 이전에는 알려지지 않았던 유전자 조절 가능성의 패턴을 밝혀냈다. 연구진은 새로운 MER11 아과를 다양한 후성유전학 마커(DNA 및 관련 단백질에 부착되어 유전자 활성에 영향을 미치는 화학적 표지)와 비교했다. 그 결과, 이 새로운 분류법이 기존 방법보다 실제 조절 기능과 더욱 밀접하게 일치함을 보였다.

연구팀은 MER11 서열이 유전자 발현을 조절할 수 있는지 직접 검증하기 위해 lentiMPRA(lentiviral massively parallel reporter assay)라는 기술을 사용했다. 이 방법을 사용하면 수천 개의 DNA 서열을 세포에 삽입하여 각 서열이 유전자 활성을 얼마나 증가시키는지 측정함으로써 동시에 검사할 수 있다. 연구진은 이 방법을 인간과 다른 영장류에서 추출한 약 7,000개의 MER11 서열에 적용하여 인간 줄기세포와 초기 신경세포에서 그 효과를 측정했다.

결과는 MER11_G4(가장 어린 하위 패밀리)가 유전자 발현을 활성화하는 강력한 능력을 보였다는 것을 보여주었다. 또한, MER11_G4는 유전자 발현 시점을 조절하는 단백질인 전사 인자의 도킹 부위 역할을 하는 짧은 DNA 조각인 독특한 조절 "모티프"를 가지고 있었다. 이러한 모티프는 유전자가 발달 신호나 환경 신호에 반응하는 방식에 큰 영향을 미칠 수 있다.

추가 분석 결과, 인간, 침팬지, 그리고 원숭이의 MER11_G4 서열은 시간이 지남에 따라 각각 약간씩 다른 변화를 축적하는 것으로 나타났다. 인간과 침팬지의 경우, 일부 서열은 인간 줄기세포에서 조절 능력을 증가시킬 수 있는 돌연변이를 얻었다. 젊은 MER11_G4는 특정 전사 인자 세트에 결합하는데, 이는 이 그룹이 서열 변화를 통해 서로 다른 조절 기능을 획득하고 종 분화에 기여함을 시사한다고 연구진인 쉰 첸 박사는 설명한다.

이 연구는 "쓰레기" DNA가 어떻게 중요한 생물학적 역할을 하는 조절 요소로 진화하는지 이해하는 모델을 제시한다. 연구진은 이러한 서열의 진화를 추적하고 그 기능을 직접 검증함으로써, 고대 바이러스 DNA가 영장류의 유전자 활동을 형성하는 데 어떻게 이용되었는지를 입증했다.

공동 저자인 이노우에 박사는 “우리 유전체의 염기서열은 오래전에 분석되었지만, 많은 부분의 기능은 아직 밝혀지지 않았습니다.”라고 지적했다. 전이인자는 유전체 진화에 중요한 역할을 하는 것으로 여겨지며, 연구가 계속 진행됨에 따라 그 중요성이 더욱 명확해질 것으로 예상된다.

참조:
Xun Chen, Zicong Zhang, Yizhi Yan, Clement Goubert, Guillaume Bourque, Fumitaka Inoue. A phylogenetic approach uncovers cryptic endogenous retrovirus subfamilies in the primate lineage. Science Advances, 2025; 11 (29) DOI: 10.1126/sciadv.ads9164