4분 읽기
- 지구상 최초의 생명체는 아마도 40억 년도 더 전에 출현
- 모든 생명의 조상에게도 선조, 즉 진화의 첫 번째 실험체가 있었을 것
- 인간 게놈의 약 70%는 적어도 하나 이상의 다른 유전자와 밀접한 관련이 있는 단백질 코딩 유전자로 구성되어 있다.
- 보편적 상동 유전자의 역사는 생명 초기 세포 계통에 대한 유일하게 이용 가능한 정보

모든 생명의 조상 이전으로 돌아가 봅시다
모든 생명체의 조상 이전에는 어떤 유전자와 원시 생명체가 존재했을까?

원시 초기로의 시간 여행
모든 생명의 조상에게도 선조, 즉 진화의 첫 번째 실험체가 있었을 것이다. 그렇다면 이러한 초기 세포 형태와 유전자는 어떤 모습이었을까? 모든 생물체에서 발견되는 특정 유전자 패밀리인 보편적 상동 유전자(paralog)가 그 해답을 제시한다. 비교 및 ​​계통 발생 분석을 통해 이러한 유전자 중 일부는 이미 우리 공통 조상에 여러 형태로 존재했음을 알 수 있다. 이는 우리 공통 조상의 선사 시대에 대한 많은 것을 밝혀준다. 

▲ 연구 개요 (출처; Universal paralogs provide a window into evolution before the last universal common ancestor / February 05, 2026 / Cell Genomics)

지구상 최초의 생명체는 아마도 40억 년도 더 전에 출현했을 것이다. 오늘날 살아있는 모든 생물체의 유전자와 세포 구성 요소를 비교하면 모든 생명의 공통 조상(LUCA)이 어떤 모습이었고 어떻게 살았는지 알 수 있다. 이 분석에 따르면, 이 조상은 이미 세포막을 가지고 있었고, 에너지 분자인 ATP를 생성할 수 있었으며, DNA를 복제하고 읽을 수 있었다. 따라서 모든 생명의 조상은 이미 놀라울 정도로 복잡한 특징들과 그에 상응하는 유전자들을 가지고 있었던 것이다.

마지막 공통 조상 이전에는 무엇이 있었을까?

하지만 우리 세포 조상의 유전자와 세포 구성 요소들이 갑자기 생겨났을 리는 없다. 분명히 그 이전에 진화해 왔을 것이다. 미국 오벌린 대학의 주 저자인 아론 ​​골드만은 "마지막 공통 조상은 진화론적 방법을 사용해 연구할 수 있는 가장 오래된 생물이다. 하지만 그 유전자 중 일부는 훨씬 더 오래되었다"고 설명했다.

이는 진화가 우리의 고조할아버지 이전에도 생명체와 유전자를 실험해 왔다는 것을 의미한다. 그러나 이러한 초기 시도들이 실패했기 때문에 결국 하나의 생물, 즉 모든 생명의 공통 조상만이 살아남았다. 따라서 공통 조상의 기원을 이해하려면 생물학적 진화가 시작되기 이전의 유전적 진화에 대한 통찰력이 필요하다. 하지만 어떻게 해야 할까?

상동 유전자: 오랜 역사를 가진 유전자 패밀리

소위 상동 유전자가 해답을 제시할 수 있다. 이 유전자들은 공통 조상에서 유래했지만, 시간이 지남에 따라 약간씩 다른 형태로 진화해 왔다. 유전적 상동 유전자에서는 이러한 여러 형태가 한 생물의 게놈에 함께 존재한다. 예를 들어, 장내 세균인 대장균(Escherichia coli)의 모든 유전자 중 약 46%가 이러한 상동 유전자 계열에 속한다.

인간의 경우, 그 수는 훨씬 더 많다. 골드만과 그의 연구팀은 "인간 게놈의 약 70%는 적어도 하나 이상의 다른 유전자와 밀접한 관련이 있는 단백질 코딩 유전자로 구성되어 있다"고 설명했다. 이러한 상동 유전자의 한 예로, 인간은 혈액 색소인 헤모글로빈 유전자의 8가지 변이체를 가지고 있다. 이들은 모두 약 8억 년 전에 존재했던 고대 글로빈 유전자에서 유래했지만, 복제와 복제 오류를 통해 이러한 변이체들이 형성되었다.

▲ (A) LUCA의 단백질체에 두 개의 상동 유전자가 존재했던 보편적인 상동 유전자 단백질 계열의 이상화된 계통 발생도. 각 상동 유전자는 생명 종의 계통수를 따라가는 하위 계통수를 생성한다. 두 하위 계통수 사이의 가지는 LUCA 이전에 발생했을 것으로 추정되는 유전자 복제 사건을 나타낸다. (출처; Universal paralogs provide a window into evolution before the last universal common ancestor / February 05, 2026 / Cell Genomics)

원시 수프에서 얻은 증거

중요한 점은 이러한 상동 유전자 중 일부는 최초의 세포, 그 이전까지 거슬러 올라가는 과거의 유물이라는 것이다. 이러한 보편적인 상동 유전자는 현재 거의 모든 생명체에서 적어도 두 가지 버전으로 존재하며, 따라서 마지막 공통 조상까지 거슬러 올라가야 한다. 이러한 상동 유전자의 계보를 거슬러 올라가 기원을 추적함으로써, LUCA(최초의 공통 조상)가 이미 이 유전자의 여러 복사본을 가지고 있었는지를 확인할 수 있다.

만약 그렇다면, 이 유전자의 원형은 최초의 세포가 나타나기 전에도 존재했을 것이다. 골드만은 "현재까지 알려진 보편적 상동 유전자는 극히 소수에 불과하지만, 이러한 유전자들은 마지막 공통 조상 이전의 생명체가 어떠했는지에 대한 많은 정보를 제공해 줄 수 있다"고 말했다. 그는 동료들과 함께 알려진 모든 보편적 상동 유전자를 수집하고 분석하여, 이 조상 이전의 생명체에 대해 무엇을 밝혀낼 수 있는지 연구했다.

LUCA 이전 시대의 세 가지 세포 기능 유전자

분석 결과, "지금까지 알려진 보편적 상동 유전자들은 세 가지 기본적인 세포 기능을 중심으로 그룹화되어 있다"고 연구진은 보고했다. 따라서 이 유전자들의 조상 형태는 모든 생명체의 마지막 공통 조상 이전으로 거슬러 올라갈 수 있다.

첫 번째 그룹은 유전 정보를 단백질로 번역하는 과정을 조절하는 두 계열의 상동 유전자로 구성된다. 연구팀은 "번역 시스템은 아마도 오늘날 생물체에서 가장 오래된 분자 시스템일 것"이라고 설명한다.

두 번째 공통 상동 유전자 그룹은 아미노산 생합성 및 변형에 관여하는 효소를 코딩하는 세 가지 유전자 패밀리로 구성된다. 골드만과 그의 동료들은 "이 유전자들은 번역과 밀접하게 관련되어 있으며 비슷한 시기에 생성되었을 가능성이 높다"고 결론지었다. 초기 복원 결과에 따르면 LUCA 이전의 생명체는 우리 공통 조상과는 다른 방식으로 아미노산을 사용하고 코딩했을 것으로 추정된다.

세 번째 원시 유전자 그룹은 세포막 구성 요소와 그 기능을 암호화하는 상동 유전자 패밀리로 구성된다. 예를 들어, 일부 막에 삽입된 효소와 특정 결합 부위 및 수용체는 LUCA 이전 유전자에서 유래했을 가능성이 있다.

아직 발견되지 않은 유전자도 많다.

이러한 알려진 원시 유전자 패밀리는 시작에 불과하다. 골드만과 그의 동료들은 "현재 알려진 보편적 상동 유전자 목록은 LUCA 이전 복제에서 유래한 단백질 코딩 유전자의 극히 일부에 불과할 가능성이 높다"고 지적했다. 그들은 유전자 시퀀싱 및 계산 계통 발생 분석의 발전으로 더 많은 상동 유전자 패밀리가 발견될 것으로 기대한다.

매사추세츠 공과대학(MIT)의 공동 저자인 그렉 푸르니에(Grek Fournier)는 "이러한 보편적 상동 유전자의 역사는 생명 초기 세포 계통에 대한 유일하게 이용 가능한 정보"라며, "따라서 우리는 이들로부터 가능한 한 많은 정보를 추출해야 한다"고 강조했다.

참고: Cell Genomics, 2026; doi: 10.1016/j.xgen.2026.101140
출처: Cell Genomics, Oberlin College

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]