눈의 색깔이나 키와 같은 특징은 한 세대에서 다음세대로 부모의 DNA를 통해 전달된다는 사실은 기초 생물학에서 확실히 정설로 받아들여지고 있다. 하지만 현재 미국 세인트루이스의 워싱턴 의대 (Washington University School of Medicine)의 연구자들은 실험실을 대상으로 한 연구에서 신체에 서식하고 있는 박테리아의 DNA는 부모의 특성을 자식에게 부모의 DNA를 통해 전달하는 것처럼 전달하게 된다고 밝혔다. 저자들에 의하면 이번 발견을 통해서 과학자들은 새로운 요소의 중요성, 즉 미생물의 DNA가 어미에서 자식으로 전달된다는 문제를 고려하여 어떻게 유전자가 질병이나 건강에 영향을 주는가에 대해 이해를 해야 한다는 것을 의미한다. 이번 연구는 학술지 <네이처>지에 발표되었다.
이번 연구의 공동저자인 허버트 버진 (Herbert W. Virgin) 박사는 “우리는 발달과정을 형성하는 요소와 분리하여 박테리아를 생각해왔다. 박테리아는 유전적인 부분이 아닌 환경부분의 요인으로 파악해왔다. 하지만 우리의 연구결과에 의하면 박테리아는 이러한 요인에 개입하게 된다. 이것은 우리가 박테리아가 우리에게 미치는 영향을 좀 더 확장해야 할 필요가 있으며 아마도 다른 미생물이 유전적 요소와 유전형질에 대한 기여를 조사할 필요가 있다”고 말했다.
박테리아는 우리에게 해로운 감염을 일으키는 것으로 익숙하다. 하지만 과학자들은 이러한 박테리아는 인간의 신체에 서식하고 있는 박테리아군집 중에서 극히 소수가 그러하다. 대부분 박테리아는 공생적이고 우리에게 해를 주기보다는 혜택을 준다. 공생적인 박테리아는 몸무게와 행동과 같은 특징에 영향을 준다. 지금까지 연구자들은 이러한 영향을 행사하는 박테리아는 일생과정에서 얻어진다고 생각했다. 이번 연구는 처음으로 박테리아의 DNA가 부모에서 자식으로 전달되면서 면역성과 염증 같은 특정한 특성에 영향을 주는 방식으로 영향을 준다는 것을 보여주었다. 연구자들은 공생적 박테리아를 실험쥐를 대상으로 이 동물의 장내 손상의 대한 취약성과 연결시켜 연구했다. 특정하게 유전형질의 박테리아를 갖고 있는 실험쥐는 이러한 손상에 취약했으며 이것은 한 가지 화학물에 노출됨으로써 일어날 수 있다. 암컷 실험쥐는 이 박테리아를 자식들에게 전달하여 이러한 손상에 취약하게 한다. 다른 경우에는 각기 다른 박테리아를 갖고 있어 덜 취약하다.
단기적으로 이러한 발견은 과학자들이 유전적으로 조작된 실험쥐에 대한 연구에서 중요한 “미생물”을 제거하는데 도움을 줄 수 있다. 몇 가지 현지 연구에서 과학자들은 때때로 갑작스럽고 설명되지 않는 실험쥐의 새롭거나 달라진 특성을 마주하게 된다. 이러한 특성은 서식지에서 확산되기도 하는데 이것은 미생물 감염이 원인이라고 생각되고 있다. 하지만 이러한 특성은 또한 어미쥐에서 자식으로 전달되어 유전적인 원인이 된다고 보고 있다.
워싱턴 대학의 병리학 교수인 버진과 함께 면역학 교수인 타데우스 스타펜벡(Thaddeus Stappenbeck)은 크론병이나 궤양성 대장염과 같은 염증성 대장질환에 대한 연구과정에 발견했다. 이들은 절반정도의 실험쥐가 이들 질환과 연관된 항체인 IgA 수준이 낮은 것을 발견했다. IgA는 해로운 침입자들로부터 신체를 방어하는데 도움을 준다. 이것은 눈이나 코, 목 그리고 내장과 같이 인간의 내부가 외부와 마주하는 지점에서 점액형태에서 나타난다. 과학자들이 낮은 수준의 항체를 가진 실험쥐와 높은 항체를 갖고 있는 실험쥐를 함께 우리에 키울 때 모든 실험쥐들은 몇 주 안에 항체수준이 낮아졌다. 이들이 실험쥐를 번식시키면 낮은 수준의 항체를 갖고 있던 어미의 새끼는 항체의 수준이 또한 낮았다.
궁극적으로 과학자들은 이러한 낮은 수준의 항체가 확산되는 원인을 박테리아인 서터렐라 (sutterella)에서 찾게 되었다. 이 박테리아와 다른 박테리아들은 IgA가 낮은 실험쥐에서 발견되며 이것은 항체수준의 감소현상의 확산을 설명할 수 있다. 함께 사육된 실험쥐들은 정상적인 박테리아의 확산과정을 통해 낮은 항체수준을 얻게 되었으며 어미 실험쥐는 이 동일한 박테리아를 후손들에게 전달한다. 이러한 설명은 우리의 사고를 완전히 바꾸도록 하고 있다. 그 이유는 박테리아에 의해서 영향을 받은 특성은 실험쥐 DNA에 의해서 전달되는 것과 동일한 방식으로 새끼에게 전달된다.
이러한 항체수준의 변화가 특성처럼 실험쥐에서 중요한 변화를 일으킨다는 것을 증명하기 위해서 연구자들은 내장손상으로 이어지는 화학물을 실험쥐에게 먹였다. 이 화학물은 염증성 내장질환을 일으키는 것으로 알려져 있다. 낮은 수준의 항체를 갖고 있던 실험쥐에서 이 화학물은 훨씬 큰 손상을 일으킨다. 스타펜벡은 “실험쥐 실험의 함의는 근본적이며 혼란의 근원이 되는 문제를 해결하는데 도움을 준다. 우리가 실험쥐를 연구할 때 우리는 유전적으로 전달된 박테리아의 가능성을 설명해야 하며 이들의 유전자가 특성에 영향을 줄 수 있다”고 말했다. 스타펜벡에 의하면 이를 위한 한 가지 방안은 실험을 통해 실험쥐를 각기 다른 군집체로 통제하는 방안이다. 이것은 유전된 미생물이 두 개의 그룹의 실험쥐에 영향을 주는지 여부를 조사하게 될 것이다. 장기적으로 버진은 유전성 모델을 확대하여 좀 더 복잡할 뿐 아니라 인간과 박테리아 그리고 바이러스 유전자가 인간의 건강에 어떤 영향을 주는가에 대한 연구를 수행하게 될 것이라고 말했다.
출처: <ScienceDaily> 2015년 2월 15일
원문참조:
Clara Moon, Megan T. Baldridge, Meghan A. Wallace, Carey-Ann D. Burnham, Herbert W. Virgin, Thaddeus S. Stappenbeck. Vertically transmitted faecal IgA levels determine extra-chromosomal phenotypic variation. Nature, 2015; DOI: 10.1038/nature14139
