미토콘드리아 및 미토콘드리아 리보솜의 세포내공생 진화가설에 대한 비판적 고찰
(A Christian Critical Perspective on the Evolutionary Endosymbiosis
of Mitochondria and Mitochondrial Ribosomes)
현창기
1. 서 론
지구상에 존재하는 모든 세포는 원핵세포(prokaryotic cells)과 진핵세포(eukaryotic cells)의 두 가지로 분류된다. 그리고 모든 생물은 분류되기를 박테리아(Bacteria), 고대박테리아(Archeae), 및 진핵생물(Eukarya)의 3개 영역(domain)으로 나뉘는데, 이들을 다시 5계의 분류체계(five-kingdom system)로 나눈다면 원핵생물계(Monera), 원생생물계(Protista), 균계(Fungi), 식물계(Planta), 동물계(Animalia)로 나뉘게 된다. 이 중 박테리아 및 고대박테리아 영역, 즉 원핵생물계는 이른바 세균이라 불리우는 생물로서 원핵세포에 해당하며, 원생생물계, 균계, 식물계, 동물계 등을 모두 포함하는 진핵생물 영역의 생물들은 진핵세포로 구성되어 있다.
이러한 세포들의 기원에 대해서는 진핵세포가 원핵세포로부터 진화되었다고 설명되고 있다. 즉 두 가지 과정에 의해 원핵세포에서 진핵세포로 진화하게 되었는데, 첫 번째 과정은 막함입(membrane infolding, 막주름) 과정으로서 원핵세포의 원형질막(cytoplasmic membrane)이 세포 안쪽으로 접히면서 중첩이 일어나 미토콘드리아와 엽록체(chloroplast)를 제외한 여러 가지 세포소기관들이 발생되었다는 것이며, 두 번째 과정에서는 세포내공생(endosymbiosis) 과정으로서 막함입이 일어나 형성된 큰 원핵세포에게 다른 작은 원핵세포가 잡아먹힌 후 공생관계가 유지되면서 미토콘드리아와 엽록체로 진화하게 되었다는 것이다. 여기서 미토콘드리아의 조상이 된 원핵세포는 산소를 이용하여 세포호흡(cellular respiration)을 하는 호기성 박테리아(aerobic bacteria)의 일종이었으며, 이 세포에 의해 만들어지는 많은 에너지를 숙주(host)가 된 원시 진핵세포가 이용하게 되고 숙주세포에 머물게 된 세포는 생화학적으로 점차 숙주에게 의존하게 되면서 형성된 상호 의존성을 바탕으로 하나의 개체 세포로 진화하게 되었다고 설명되고 있다. 한편 엽록체의 조상이 된 원핵세포는 광합성 박테리아(photosynthetic bacteria)의 일종으로서 미토콘드리아의 진화과정과 유사한 세포내공생 관계가 형성되었다고 보고 있다.
그렇다면 미토콘드리아의 진화를 설명하는 이 세포내공생 가설은 어떤 관찰 근거들을 가지고 주장되고 있는가. 그것은 바로 박테리아와 미토콘드리아 간에서 발견되는 유사성(similarities) 때문이라 하겠다. 진핵세포 내에 존재하면서도 독자적인 유전체(genome)과 리보솜을 가지고 이분법(binary fission)으로 분열하는가 하면, 그 유전자 및 단백질들의 염기 및 아미노산 서열에 있어 상호 유사성이 발견된다는 것이다. 하지만 유사성에 기초한 세포내공생 진화가설의 내용을 들여다보면 그 유사성이 위배되는 문제로 인해 모순성을 드러내는 여러 부분들이 발견되고 있다. 특히 최근 여러 생물 종에 대한 미토콘드리아 유전체(mitochondrial genome)의 염기서열 분석이 속속 완성됨에 따라 그 분석 데이터들을 근거로 하여 미토콘드리아 및 미토콘드리아 리보솜에 대한 세포내공생 진화가설에 대한 새로운 해석들이 90년대 말부터 활발하게 제시되고 있다. 하지만 이로부터 얻어지는 새로운 분자생물학적 관찰결과들은 오히려 세포내공생에 대한 기본적인 의문들을 야기하고 있음을 보게 된다.
본 고찰에서는 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설에 있어서의 논리 전개방식을 소개하는 한편, 새롭게 주장되는 해석들과 기존 가설과의 갈등의 내용들을 살펴보고, 또한 이 진화가설 자체가 가지고 있는 논리상 문제점들을 지적 비판하고자 한다.
1. 세포내공생 진화 가설 (Endosymbiotic evolution theory)
생물의 진화를 설명함에 있어 약 15억년보다 오래된 연대로 추정되는 화석에는 현존하는 원핵세포들의 형태와 크기와 유사한 단순한 생물체들이 나타나며, 15억년전 이후부터 초기 진핵세포들이 발생되어 나온 것으로 추정하고 있다. 원핵세포로부터 진핵세포로 진화하기 위해서는 3가지 중요한 단계가 있었음이 강조되고 있다.
첫 단계에서는 고대박테리아(archea)의 일종으로 추정되는 원핵세포가 더 많은 DNA를 얻게 되고, DNA 분자를 특정 단백질들과 결합시켜 독립적인 복합체(염색체, chromosome)로 보다 밀도있게 접어주는(folding) 한편, 세포분열시 이를 동일하게 나누어 딸세포(daughter cell)에 나누어 주는 일련의 메카니즘이 보다 정교해지게 되었다는 것이다.
이어서 두 번째 단계에서는 세포가 더욱 커지고 세포 내에는 막함입에 의해 막 구조물들(intracellular membranes)이 형성되어, DNA가 이중막(double membrane)으로 둘러싸여 핵(nucleus)을 형성하게 되면서 RNA 합성과정은 핵 내에서, 단백질 합성과정은 세포질에서 일어나도록 분리된다. 이것이 바로 혐기성(anaerobic)의 초기 진핵세포(early eukaryotes)인데 아직은 광합성(photosynthesis)이나 호기적 대사(aerobic metabolism)을 할 수는 없는 상태였다고 주장되어지고 있다(Fenchel and Finlay, 1994).
세 번째 진화단계에서는 이러한 초기 진핵세포에 호기성 박테리아와의 세포내 공생관계(endosymbiosis)가 형성되면서 박테리아가 미토콘드리아로 진화하게 된다. 광합성 박테리아의 경우에는 유사한 과정을 통해 녹조류(green algae)의 엽록체 등 플라스티드(plastids)로 진화하여 차후에 식물체(plants) 엽록체의 조상이 되었다는 것이다(Margulis, 1993; Gray 1989).
이러한 세포내공생의 과정을 거쳐 초기 진핵세포는 다양한 단세포 원생생물(unicellular protists)로 진화하면서 유글레나(Euglena), 클라미도모나스(Chlamydomonas)와 같은 광합성 능력이 있는 조류(photosynthetic protists, algae)와 짚신벌레(Paramecium), 점균류(Dictyostelium)와 같은 광합성을 할 수 없는 원생동물(nonphotosynthetic protists, protozoa)로 나뉘게 되고, 계속하여 다세포 생물인 진균류(fungi) 및 동, 식물이 진화되어 나오게 되었다는 것이 세포내공생 진화가설의 주요 맥락으로 요약될 수 있다.
1920년대에 이미 제기되었던 세포내공생 진화가설은 1970년에 린 마굴리스(Lynn Margulis)에 의해 정리된 가설로 발표되었고(Margulis, 1970), 초기에는 많은 비판을 받기도 하였지만 현재는 이른바 ‘단계적 세포내 공생론(the serial endosymbiosis theory)'이라는 이름으로 진핵세포 진화가설의 주류가 되었다. 마굴리스는 초기 진핵세포가 혐기성의 고대박테리아에 스피로헤타(spirochetes)가 공생함으로써 형성되었다고 추가적인 가설을 제안하였지만(Margulis, 1993), 최근에는 초기 진핵세포의 형성에 대해서 ‘수소 가설(hydrogen hypothesis)'이라는 새로운 가설이 제안되면서 활발한 토론이 계속되고 있다(Martin and Muller, 1998).
이 가설에 의하면 혐기성이면서 수소를 절대적으로 필요로 하고 탄소 고정능력이 있는 고대박테리아가 숙주가 되고 수소와 이산화탄소를 노폐물로 배출하는 혐기성 진정박테리아(eubacterium)가 공생균(symbiont)이 되어 대사적 결합이 일어나게 되었다고 주장된다. 이 가설에서는 미토콘드리아를 갖지 않는 진핵세포가 가지는 효소의 일부가 진정박테리아의 것과 유사하며 하이드로게노솜(hydrogenosome, 미토콘드리아를 갖지 않는 진핵세포에서 발견되며 수소를 발생시키고 ATP를 생산해내는 세포 소기관)이 미토콘드리아와 공통적인 특성을 갖는다는 점을 근거로 제시하고 있다(Lopez-Garcia and Moreira, 1999).
어찌 되었든 진핵세포의 진화를 설명하는 가설들에 있어서 그 핵심은 미토콘드리아의 진화에 있는 만큼, 본 고찰에서는 미토콘드리아 및 미토콘드리아 리보솜(mitochondrial ribosome)의 진화에 대한 가설에 초점을 맞추어 살펴보았다.
2. 미토콘드리아 유전체의 염기서열과 미토콘드리아 진화가설의 문제들
진핵세포의 세포내공생 진화가설에 있어서 진화론 내에서도 다음과 같은 의문들에 대한 논쟁은 계속되고 있다. 미토콘드리아는 진핵세포의 나머지 부분들과 동시에 발생했는가? 미토콘드리아는 호기적 세포호흡을 담당하고 있는데 최초 발생시의 조건은 혐기적이었는가? 호기적이었는가? 미토콘드리아와 하이드로게노솜 사이의 진화적 연관성은 무엇이며 그것은 타당한가? 즉 또 다른 적응의 형태인가, 아니면 진화적으로 보다 원시적인 단계로서 진핵세포로의 진화과정에서 분화되어 나온 형태인가 라는 질문들이 그것이다. 아직도 이들 의문들은 여전히 논쟁의 대상이 되고 있지만(Gray et al., 1999; Lang et al., 1999a), 최근의 각종 유전체 연구를 통해 얻어진 결과를 이용하여 미토콘드리아의 기원과 진화에 대한 유전체학적 설명들이 시도되고 있다.
지난 20여년간 여러 미토콘드리아 DNA(mtDNA)의 염기서열이 완전 해독되면서 미토콘드리아 유전체(mitochondrial genome)의 구조 뿐만 아니라, 유전자의 함량, 조직, 발현에 이르기까지 다양한 측면에서의 분석이 이루어졌다(Lang et al., 1999b; Boore, 1999). 특히 원생생물(protists) 및 진균(fungi)의 mtDNA에 대한 미토콘드리아 유전체(mitochondrial genome) 염기서열 해독 프로젝트가 진행되어(The Organelle Genome Megasequencing Program, OGMP, [http://megasun.bch.umontreal.ca/ ogmpproj.html], The Fungal Mitochondrial Genome Project, FGMP, [http://megasun.bch.umontreal.ca/People/lang/FMGP/FMGP.html]), 이로부터 미토콘드리아 유전체의 진화에 대한 여러 시각들이 제시되기에 이르렀다.
그 첫 번째로는 ATP 생산과 미토콘드리아 단백질(mitochondrial protein)의 번역(translation)이 미토콘드리아의 기능에 있어서 기본이 되는 것인데 이 기능은 모든 미토콘드리아 유전체에 있어 공통적이며 결국 α-proteobacteria 조상으로 역추적된다는 것이다 (Gray et al., 1999; Lang et al., 1999a). 또 한가지는 현재까지 알려진 미토콘드리아 유전체 중 가장 원시적이면서 가장 박테리아에 가깝고(most bacterium-like) 가장 유전자를 많이 보유함으로써(most gene-rich) 가장 초기 진화단계의 미토콘드리아를 보여주는 것은 원생생물인 Reclinomonas americana의 mtDNA로서 69,034개 염기쌍(bp)의 크기로 나타났다(Lang et al., 1997). 다른 종류의 원생생물과 진균, 그리고 모든 동물의 mtDNA들은 R. americana의 mtDNA로부터 분화되어 발전된 것으로 볼 수 있다는 것이다.
유전체 염기서열 분석으로 얻어지는 또 하나의 결론은, 이들 미토콘드리아 유전체들은 “축소적 진화(reductive evolution)'를 통해 그 유전자의 수, 즉 암호화 능력(coding capacity)이 박테리아의 유전체에 비해 현저하게 낮아지는 과정을 거치게 되었다는 것이다(Andersson and Kurland, 1998). 축소적 진화 과정의 주 원인으로는 미토콘드리아로부터 핵으로의 유전자 이동(mitochondrion-to-nucleus gene transfer)을 들고 있고(Gray et al., 1999; Lang et al., 1999; Adams et al., 2000), 어떤 유전자의 경우에는 상호 무관한 별도의 핵 유전자(nuclear gene)에 의해 그 기능이 대체됨으로써 유실될 수도 있었을 것으로 보고 있다(Gray and Lang, 1998). 한편 핵 유전자에 의한 기능적 대체 없이도 특정 미토콘드리아 유전자가 완전히 유실될 수도 있다는 가설도 제시되고 있다(Kurland and Andersson, 2000).
또한 유전체 염기서열 분석에 의하면 미토콘드리아 유전체(즉 미토콘드리아 자체)으로의 진화는 단 한번밖에 일어나지 않았다고 주장되고 있다(Gray et al., 1999; Lang et al., 1999a; Gray, 1999). 이 주장의 근거로는 특정 기능을 담당하고 있는 미토콘드리아 유전자들은 R. americana의 mtDNA에서 발견되는 것들의 일부분들로 보인다는 점(약간의 예외는 있음: Pont-Kingdon et al., 1998)과, 많은 경우에 미토콘드리아 단백질을 암호화하는 유전자 군(cluster)들은 박테리아에서 발견되는 유사유전자(homolog)들에서 나타나는 유전자 순서를 유지하고 있고 미토콘드리아의 종류에 따라 나타나는 특별한 유전자 소실이 있다 하더라도 그들이 공통조상으로부터 각각 분화되어 나왔다고 보기에는 어렵다는 점 등을 들고 있다.
마지막으로 미토콘드리아 유전체 염기서열 분석을 통해 주장되는 또 하나의 내용은 핵 DNA(nuclear DNA)와 mtDNA로부터 각각 만들어지는 계통수(phylogenetic trees)를 비교해 볼 때 상호간에 매우 유사하게 진화가 진행되어 왔음을 발견하게 된다는 것이다(Philippe et al., 2000; Gray et al., 1999; Lang et al., 1999a). 하지만 이 주장은 그러한 계통수에서 확실한 진화를 보여주는 진핵세포 종들(species)과 다른 종들 간의 연결에 대해서는 아직 잘 알 수 없다는 설명을 덧붙이고 있다.
지금까지 밝혀진 여러 박테리아 유전체 염기서열(bacterial genome sequences) 중에는 Rickettsia prowazekii (1,111,523 bp)의 것이 가장 미토콘드리아에 가까운 서열을 보여준다(Andersson et al., 1998). 한편 앞서 설명한 바와 같이 가장 박테리아에 근접하는 DNA 염기서열을 가지는 것은 R. americana의 mtDNA이다. 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설에서는 이 두 DNA 염기서열의 상호 비교에 의해, 리케치아(Rickettsia)가 속하는 α-proteobacteria 계통의 한 아문(subdivision)으로부터 미토콘드리아가 진화되어 나왔을 것으로 추정하고 있다. 그러나 이 비교 결과를 구체적으로 들여다보면 이들 두 염기서열은 그러한 결론을 내기에는 자연스럽지 않은 여러 특징들을 보여주고 있다.
그 첫 번째로는, R. prowazekii 유전체와 R. americana mtDNA의 염기서열은 다른 많은 병원성 박테리아들의 유전체에서 나타나는 것처럼 각각의 독립적인 진화 상의 유전자 축소과정(reductive evolution)으로부터 발생된 것으로 보인다는 점이다(Gray et al., 1999; Gray et al., 2001). 특히 유전자 순서 등의 상호 연관된 특성을 살펴볼 때 다른 박테리아 유전체들과 구별되는 어떤 것도 발견되지 않는다는 점에 주목할 필요가 있다. 오히려 이들은 공통의 조상으로부터 나와 서로 분리된 유전체 축소(genome reduction) 과정을 거쳐 왔을 가능성이 더 높다고 주장되고 있어서(Gray et al., 1999; Gray, 1998), 진화론적인 해석에 있어서도 상반되는 설명이 동시에 제시되고 있는 것이다.
두 번째로 볼 것은, R. prowazekii 및 미토콘드리아는 ATP 생산의 관점에서 볼 때 매우 유사한 기능적 특성들을 보이고 있지만, ATP의 이용에 대한 측면에서는 서로 매우 다르다는 점이다. 예를 들면, 미토콘드리아는 생산된 ATP를 세포질로 방출시키지만 리케치아는 자신이 생산한 ATP를 스스로 사용하며 오히려 그 숙주세포로부터 ATP를 잡아들이기까지 한다(Andersson, 1998). 즉 미토콘드리아 및 리케치아의 막(membrane)에 각각 존재하는 ADP/ATP 이동효소(translocase)들을 보면 상호 간에 특별한 유사성 관계가 관찰되지 않는다는 것이다. 이것은 기생 박테리아와 세포 소기관이 공통 조상으로부터 갈라져 나온 후 세포 내에서의 적응과정에서 각각 독립적으로 진화해 온 것을 보여주는 것이라고 해석되고 있다. 즉 리케치아와 미토콘드리아의 진화적 상관성이 정면으로 부정되고 있는 것이다. 리케치아와 미토콘드리아가 모두 해당작용(glycolysis)에 관련하는 효소들을 가지고 있지 않다는 점 등의 대사적 유사성(metabolic similarities)을 들면서 이들이 진화 상의 수직적 관계에 있는 것이 아니라 공통 조상으로부터 분화되어 나왔다고 주장되고 있는 것을 볼 때에도(Andersson et al., 1998; Muller and Martin, 1999) 미토콘드리아의 진화가설이 가지는 자기 모순적인 측면을 엿볼 수가 있다. 즉, 유전체 염기서열의 판독결과에 의하면 수직적인 진화과정 중에 있는 것으로 보이지만, 생화학적 및 생물물리화학적 분석으로는 정반대로 공통조상에서 나온 수평적 관계를 보여주고 있다는 것이다.
세 번째로 살펴볼 것은, 리케치아 그 자체가 절대적으로 숙주세포가 필요한 기생성 박테리아라는 점을 고려한다면 미토콘드리아의 조상이 자유롭게 서식하던(free-living) α-proteobacterium 이었을 때 가지고 있었을 자유 서식에 필요한 유전자들을 어떻게 보완해 왔는지에 대한 의문을 풀 수 없다는 것이다. 즉, 그 보완 유전자들에 대한 설명이 가능하기 위해서는 자유 서식 α-proteobacteria의 훨씬 큰 유전체에 포함된 다양한 유전자들에 대한 보완 유전자들 가지고 있어야 하지만, 리케치아의 작은 유전체는 그러한 대사적 다양성의 변화과정을 보여주지 못한다는 점이다.
그럼에도 불구하고 최근 완전 해독된 Caulobacter crescentus의 유전체(4,016,942 bp)과 이와는 근본적으로 다른 종류의 α-proteobacteria인 Bradyrhizobium japonicum의 유전체(8.7 megabase) 및 광합성 α-proteobacteria(Rhodobacter 등)의 유전체 염기서열들을 비교한 결과를 이용하여, 미토콘드리아의 조상(the proto-mitochondrion)이 이들로부터 대사적 변화능력(metabolic versatility)을 물려받았다고 하는 주장도 여전히 공존하고 있다(Nierman et al., 2001). 유전체 상으로는 가장 미토콘드리아의 조상으로 유력한 리케치아가 전혀 그러한 대사적 변화능력에 대한 보완적 유전자를 보여주지 못하고 있는 가운데 α-proteobacteria로부터의 미토콘드리아 진화가설은 또다른 α-proteobacteria 유전체 염기서열을 이용하여 여전히 주장되어지고 있는 상황인 것이다.
이와 같이, 최근 밝혀지고 있는 유전체 염기서열 판독의 결과들로부터 추론되는 진화론적 해석들을 살펴보면 기존의 생화학, 생리학, 물리화학적 연구결과로부터 세워왔던 미토콘드리아 진화가설에 빈번히 상반되는 내용들이 주장되고 있음을 알 수 있다. 그런데 또한 이들 상반된 주장들의 논리는 그 특성상 상호 타협이 이루어질 수 없는 것들임을 보게 된다. 다시 말해서, 현재와 같은 진화론적 해석들이 이어져 간다면 미토콘드리아의 진화에 대한 정설이 도출되기는커녕 그야말로 가중되는 혼란을 정리하는 것도 어려울 것으로 보여지고 있다. 만일 미토콘드리아 진화가설이 과학적 사실이라면, 새롭게 관찰되는 연구결과를 통해서 기존 가설이 보다 구체화되거나 새로운 지류적 가설이 발전되어 나올 것이지만, 현재의 미토콘드리아 진화 가설은 새로운 관찰에 의해 얻어진 해석이 기존 가설의 기본적인 가정에서부터 의문을 제기하는 양상으로 전개되고 있는 것이다.
3. ‘유전자 전달 가설'의 고찰을 통한 미토콘드리아 진화가설의 문제점 분석
다음으로는 미토콘드리아 진화가설의 논리 전개에 있어 가장 핵심이 되는 ‘유전자 전달 가설(gene transfer hypothesis)'에 대해 살펴보도록 한다. 앞에서 언급한 바와 같이 미토콘드리아 유전체들이 “축소적 진화(reductive evolution)'를 거치기 위해서는 미토콘드리아로부터 핵으로의 유전자 이동(mitochondrion-to-nucleus gene transfer)이 일어났을 것으로 추측하고 있다. 이른바 ‘유전자 전달(이동) 가설'로 불리우는 이 가설에서도 적지 않은 논리적 문제점들을 발견하게 된다. 단순한 진핵세포인 효모(Saccharomyces cerevisiae)의 미토콘드리아가 가지는 단백질들(mitochondrial proteome)을 분석한 결과 약 630가지 단백질이 있는 것으로 추정하게 되었는데, 그 중 mitochondrial DNA가 스스로 암호화(coding)하는 단백질은 10%보다 적고, 대부분의 단백질은 nuclear DNA에 의해 만들어지는 것으로 밝혀졌다(Marcotte et al., 2000). 미토콘드리아 단백질이 대부분 nuclear DNA에 의해 암호화 된다는 사실이 ‘유전자 전달 가설'의 가장 주된 논리적 근거가 되고 있는 것이다. 그런데 nuclear genome에 의해 만들어지는 이들 단백질들의 유사성(similarity)을 조사하였더니 전체 단백질 중 50~60%는 원핵세포와 유사하고(’prokaryote-specific'), 20~30%는 진핵세포의 특성을 가지는 것들이었으며(‘eukaryotic-specific'), 약 20%는 효모에만 존재하는(’unique') 단백질들이었다 (Karlberg et al., 2000). 여기서 우리는 효모 미토콘드리아에만 존재하는, 20%를 차지하고 있는 그 고유의 단백질들의 기능이 확실치 않다는 점에서 의문을 갖게 된다. 즉, 원핵세포 유사성 단백질들은 주로 생합성(biosynthesis), 에너지 생산(bioengergetics), 및 단백질 합성에 관련된 기능을 담당하고 있고, 진핵세포 유사성 단백질은 막 구성(membrane components), 조절(regulation), 물질수송(transport) 관련 기능을 맡고 있어서 미토콘드리아의 주된 기능은 두 부류의 단백질들이 거의 수행하고 있는데, 효모 미토콘드리아에만 나타나는 고유의 단백질들은 그 기능이 아직 모호하다는 점이다. 효모 고유의 단백질이라면 유전자 이동(gene transfer)에 의해 물려받은 것이 아니라 효모 핵 스스로가 암호화하고 있는 단백질을 의미하게 되는데, 그들이 미토콘드리아 자체의 특정한 기능을 담당하지 않고 있음에도 특별히 효모의 핵 유전체가 자발적으로 암호화함으로써 미토콘드리아에게 그들을 제공하게 되었다는 것이 과연 타당한 논리일까? 물론 다른 종의 미토콘드리아 단백질 유전정보(mitochondrial proteome)에 대한 조사가 완벽히 이루어져 상호 비교가 이루어져야 보다 명확한 결론을 얻을 수 있을 것이지만, 효모의 핵 유전체 내에 효모 미토콘드리아에만 존재하는 고유의 단백질에 대한 정보가 존재한다는 사실은 ‘유전자 전달 가설’의 논리, 즉 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설의 논리를 매우 부자연스럽게 한다. 오히려 모든 진핵세포들이 박테리아의 공생으로 인해 진화된 미토콘드리아를 가지고 있다기보다는, 다른 세포 소기관과 마찬가지로 그 세포 자체가 이미 핵 유전체에서 암호화하고 기능을 부여하는 하나의 세포 소기관으로서의 미토콘드리아를 갖는다는 논리가 더 자연스럽다고 볼 수 있는 것이다.
‘유전자 전달 가설'에 따르면 미토콘드리아로부터 핵으로의 유전자 이동은 매우 점차적으로 일어난 연속적 축소과정(sequential reduction)이라고 한다. 그러한 주장의 근거로는 가장 유전자를 많이 보유함으로써 가장 초기 진화단계의 미토콘드리아를 보여주는 원생생물 R. americana의 mtDNA와 비교해 볼 때 다른 진핵세포들의 mtDNA에는 R. americana의 mtDNA가 암호화하는 단백질 또는 rRNA 유전자 집합의 일부분(subset)을 암호화하고 있다는 점이다(Gray et al., 1999). 즉 진화가 상당히 진전된 세포에서는 전자전달계(electron transport system), 즉 산화적 인산화(oxidative phosphorylation)에 관여하는 미토콘드리아 내막 단백질들(inner membrane proteins)과 ribosomal RNAs(rRNAs) 및 transfer RNA(tRNAs)에 관한 유전자만이 mtDNA를 구성하고 있고, 이보다 덜 진화된 세포는 거기에 추가적인 ribosomal protein들의 유전정보가 포함되어 있다는 것이다.
이러한 주장은 염기서열 분석이 완료된 6종류 세포의 mtDNA 유전자들을 비교함으로써 제시되었다(Gray et al., 1999). 즉 6종류 세포는 모두가 5개의 유전자를 공통적으로 가지고 있었는데 그것들은 각각 rRNA(rns, rnl), cytochrome b(cob) 및 두개의 cytochrome oxidase subunit(cox1, cox3)를 암호화하는 유전자이다. 그러나 제시된 mtDNA 중 가장 단순한 진핵세포는 Plasmodium(원생동물 일종, 말라리아 병원성 기생성 세포가 속함)으로서 mtDNA가 위의 5개 유전자만 보유하고 있고, 그 다음으로 단순한 것은 Schisaccharomyces(효모의 일종)로서 추가로 atp6, atp8, atp9, cox2, rps3 등 5개 유전자가 포함되고, 그 다음으로 인간 세포로서 atp6, atp8, cox2, nad1~6, nad4L 등 10개 유전자가 추가된다. 이어서 가시아메바(Acanthamoeba, 원생동물 일종), 우산이끼속(Marchantia, 선태식물 일종)의 순으로 mtDNA의 유전자 수가 많아지고 가장 복잡한 mtDNA가 Reclinomonas(R. americana)의 것이었다.
그런데 여기서 제시된 6종류의 세포를 살펴볼 때 mtDNA의 복잡성에 있어서 진화의 순서와 맞지 않는 불연속성을 발견하게 된다. ‘유전자 전달 가설'에서 주장하는 바와 같이 점차적이고 연속적인 mtDNA 유전자의 축소과정이 일어났다면, 당연히 가장 진화가 진전된 인간 mtDNA가 가장 적은 유전자만 보유하고 있어야 할 것이다. 하지만 제시된 비교 결과를 보면 인간 mtDNA 보다 Schizosaccharomyces 또는 Plasmonium이 더 적은 유전자를 보여줌으로써 상대적으로 유전자 이동이 많이 일어난 것으로 나타나고 있다. 이것은 미토콘드리아로부터 핵으로 유전자가 점차적으로 이동하였다는 '유전자 전달(gene transfer)'이라는 전제, 즉 세포내공생 진화가설의 기초부터 수정되어야 함을 보여주는 결과라 하겠다.
미토콘드리아의 세포내공생 진화가설의 문제점은 포유동물의 미토콘드리아 유전체에서만 나타나는 매우 특징적인 면들을 살펴보아도 명백하게 드러난다. 일찍이 인간 미토콘드리아 유전체는 핵 유전체에 비해 크기가 매우 작아서 초기의 염기서열 분석 프로젝트의 대상이 되었고, 이미 1981년에 16,569 bp의 전체 염기서열이 해독되었다. 그런데 이 염기서열과 핵, 엽록체 및 박테리아 등의 유전체 염기서열을 비교해 본 결과, 매우 흥미로운 특징들이 발견되었다. 그 중 하나는 세포의 세포질(cytosol) 이나 엽록체에서는 단백질 합성 시 30종류 이상의 tRNA가 각 아미노산을 담당하는데, 포유동물의 미토콘드리아에서는 22 tRNA만으로 단백질 합성을 수행하고 있다는 점이다(Barrell et al. 1980). 즉, 정상적인 코돈-안티코돈(codon-anticodon) 결합 규칙(pairing rule)이 포유동물의 미토콘드리아에서만은 상당히 완화됨으로써(relaxed), 하나의 tRNA가 4가지 코돈(codon) 중 어느 하나와도 짝을 이룰 수 있도록 되어 있어서 훨씬 적은 종류의 tRNA를 가지고도 단백질 합성이 가능하게 된다. 세포질이나 박테리아에서는 물론, 미토콘드리아처럼 세포내공생 진화에 의해 발생되었다고 주장되고 있는 엽록체에서의 단백질 합성과정에서도 찾아볼 수 없는 미토콘드리아만이 보여주는 이러한 특징적인 모습은 미토콘드리아가 박테리아의 공생으로부터 발생되었다는 진화가설의 논리적 설득력을 상당히 감소시키는 것이라 하지 않을 수 없다.
또 한가지 놀라운 사실은 미토콘드리아 유전체(mitochondrial genome)에서는 64개 코돈 중에서 4개의 코돈이 다른 유전체와 다른 의미를 갖는다는 점이다 (Jukes, 1983). 예를 들어 UGA 코돈은 핵, 엽록체, 박테리아 등 대부분의 단백질 합성에 있어서는 ‘stop’ 코돈이다. 그러나 포유동물, 진균, 무척추동물의 미토콘드리아에서는 이것이 트립토판(tryptophan) 아미노산을 의미하는 코돈으로 작용한다. 그리고 AGG는 보편적으로는 아르기닌(arginine) 아미노산의 코돈이지만 포유동물 미토콘드리아에서는 ‘stop’ 코돈으로, Drosophila(초파리)에서는 세린(serine)의 코돈이다(Tomita et al., 1999; Jukes and Osawa, 1993). 이렇게 미토콘드리아의 암호(code)는 보편적인 암호(universal code)와 다를 뿐 아니라, 더욱 특징적인 사실은 그러한 코돈 인식방법의 차이가 식물에서는 나타나지 않고 동물세포에서만 관찰되고 있으며, 동물세포 중에서도 생물종에 따라 서로 다르게 나타나고 있다는 점이다(다음 표 참고, Alberts et al., 2002).
| Codon | Universal code | Mitochondrial code |
| 포유동물 | 무척추동물 | 효모 | 식물 |
UGA
AUA
AGA, AGG
CUA | 'stop'
isoleucine
arginine
leucine | tryptophan
methionine
'stop'
leucine | tryptophan
methionine
serine
leucine | tryptophan
methionine
arginine
threonine | 'stop'
isoleucine
arginine
leucine |
이렇게 동물세포의 미토콘드리아가 생물종에 따라 각각의 독특한 코돈 인식체계를 가지고 있다는 사실로부터, 다시 한번 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설의 중심에 있는 ‘유전자 전달 가설'의 논리적 모순성을 발견하게 된다. 즉, 보다 복잡한 생물체로 진화하는 과정에서 미토콘드리아로부터 핵으로의 유전자 이동이 점차적으로 일어남으로써 미토콘드리아 유전체의 유전자가 연속적으로 적어지게 되었다면, 아직 단순한 생물체로서 진화를 앞둔 생물(예를 들면 효모, 무척추동물 등)에 있어서 이미 미토콘드리아에 형성된 차별적인 코돈 인식방법으로 특정 단백질을 암호화하는 유전자가 핵 유전체로 이동하게 된다면 그 유전자는 핵 유전체에서 과연 단백질 암호화 능력을 유지할 수 있을까? 예를 들어 효모 미토콘드리아 유전자 염기서열 중 UGA 코돈을 가지는 유전자가 핵으로 이동하면 전혀 쓸모없는 유전자가 되고 말 것이다. 그렇다면 ‘독특한 코돈 인식체계는 유전자 이동 후에 미토콘드리아에서만 일어난 돌연변이에 의해 형성될 수도 있다’라고 반론할 수도 있을 것이다. 그러나 독특한 코돈 인식체계가 식물체에서는 전혀 나타나지 않고 동물세포에서만 나타나고 있다는 점을 기억해야 한다. 식물체 내에서도 유사한 돌연변이가 얼마든지 일어날 수 있으니 식물에서도 독특한 코돈 인식체계가 나타나야 할 것이다.
또한 같은 분류체계 내(예를 들면 포유동물 내)에서도 그러한 돌연변이는 진화과정에서 계속하여 일어나는 것이 당연한 일일 것이기 때문에 독특한 인식체계는 훨씬 더 다양하게 동물 종에 따라(예를 들면 포유동물 내에서도 마우스, 소, 원숭이, 사람 등) 각각이 다른 형태로 나타나야 할 것이다. 하지만 분명하게도 식물에서는 나타나지 않으며, 동물세포는 동일 분류체계 내에서는 동일한 인식체계를 이용하고 있다.
이러한 사실들을 종합해 볼 때 미토콘드리아는 세포내공생에 의해 형성되어 진화되어 왔다는 논리보다는, 당초 세포가 기원하는 시점부터 미토콘드리아는 세포가 보유하게 된 하나의 세포 소기관으로서, 에너지 생산이라는 타 세포들에서도 나타나는 공통적인 기능을 수행하면서도 한편으로는 그 세포가 가지는 고유의 특징들을 가지고 있는 것으로 인식하는 것이 더 타당하다는 결론에 이르게 된다.
여기서 '유전자 전달 가설‘의 논리적 모순성과 관련하여 한가지 덧붙여 생각하여야 할 것은, 미토콘드리아 단백질들이 핵 유전체에 암호화되어 세포질에서 합성된 후에 미토콘드리아로 표적화(targeting)되는 과정을 면밀히 살펴볼 필요가 있다는 것이다. 진핵세포는 원핵세포와 달리 여러 세포 소기관을 가지고 있기 때문에 리보솜에서 단백질을 합성한 후에 복잡한 단백질 분류(protein sorting) 과정을 거쳐 각 단백질들을 최종 목적지에 따라 분류하여 보내게 된다. 미토콘드리아 단백질들도 세포질에 있는 자유리보솜(free ribosome)에서 합성될 때 미토콘드리아로 유입되기 위해서 반드시 필요한 신호서열(signal sequence)이 단백질의 끝부분에 함께 합성됨으로써 미토콘드리아에 의해 인식되어 유입될 수 있게 된다. 즉 특정 미토콘드리아 단백질이 세포질에서 합성될 때에는 원래의 단백질이 아니라 신호서열이 끝부분에 추가로 연결된 전구체 단백질(precursor protein)로 합성되고 미토콘드리아로 유입되는 과정에서 신호서열이 잘려 나가면서 비로소 성숙한 단백질(mature protein)이 되는 것이다. 이 유입과정에서는 세포질에 존재하는 샤페론 단백질(chaperone protein, cytosolic Hsp70, DnaJ 등)의 도움을 받아 미토콘드리아의 외막(outer membrane) 및 내막(inner membrane)에 있는 수용체(receptor)에 의해 인식되고 단백질 이동체(protein translocator)를 통해 유입되는데, 이 때 mitochondrial Hsp70이 ATP를 소모하면서 유입 모터(translocation motor)의 작용을 일으킴으로써 단백질을 끌어들이게 된다(Haucke and Schatz, 1997).
다시 말하면, 단백질 이동(protein transport) 현상은 세포질 샤프론, 미토콘드리아 막에 존재하는 수용체 및 이동체(translocator), 그리고 이동모터(translocation motor) 등의 다양한 분자장치들이 상당히 복잡한 과정을 거쳐야 가능함을 알 수 있다. 이동체만 보더라도 미토콘드리아 외막과 내막에 대해 각각 독립적으로 TOM(translocase of the outer membrane) complex(TOM5, -6, -7, -40 등 포함) 및 TIM(translocase of the inner membrane) complex(TIM11, -14, -17, -23, -33 등 포함)가 담당하고, 이동모터 역시 TIM44-mHsp70-GrpE로 결합된 complex의 형태로 작용한다는 것이 밝혀져 있다. 더욱 흥미로운 것은, 세포질의 Hsp70-DnaJ 시스템은 여러 세포소기관으로의 단백질 이동을 수행하지만, MSF(mitochondrial import-stimulation factor)라는 샤페론은 오직 미토콘드리아 단백질의 이동에만 관여한다는 사실이다.
그렇다면 핵 DNA에 의해 암호화되어 세포질에서 합성된 미토콘드리아 단백질들을 미토콘드리아로 이동시켜주는 이러한 복잡한 메커니즘과 분자장치들은 어떻게 형성될 수 있었던 것일까? 원핵세포는 진핵세포와 달리 세포 소기관이 없기 때문에 이러한 복잡한 단백질 이동과정을 거칠 필요가 없다. 즉 단백질 이동을 일으키기 위한 복잡한 분자 장치들이 필요치 않은 것이다. '유전자 전달 가설'에 따라 미토콘드리아의 진화 형성과정에서 가장 초기단계라는 R. americana의 mtDNA로부터 점차적으로 유전자들이 핵으로 이동하면서 진화가 이어져 왔다면, 이동되는 유전자들은 미토콘드리아 자체의 성숙한 단백질을 암호화하고 있었을 것이다. 그렇다면 과연 이 유전자들이 핵으로 이동한 후에 자연적인 돌연변이에 의해 스스로 미토콘드리아로 표적화(targeting)되기 위한 신호서열이 발생되도록 지혜롭게 변화하는 일이 가능한 것인가? 다른 세포소기관으로 표적화되는 돌연변이의 축적은 왜 일어나지 않았는가? 미토콘드리아로 표적화되어야 할 단백질은 한, 두 개가 아니다. 인간 미토콘드리아의 경우만 보더라도 미토콘드리아에 존재하는 수많은 단백질 중에 mtDNA가 스스로 암호화하는 단백질은 매우 한정적이어서 전자전달계(electron transport system)에 관여하는 것 밖에 없고 그나마 필요한 100가지에 가까운 단백질 중 13개만을 암호화하는 것이 전부이다. 다시 말하면 미토콘드리아가 필요로 하는 단백질의 대부분이 핵 DNA에 암호화되어 세포질에서 합성된 후 유입되고 있는 것이다. 이렇게 많은 단백질들에 대한 유전자들이 진화의 과정에서 미토콘드리아로부터 유전자 이동에 의해 핵으로 옮겨간 후 각각의 유전자에 돌연변이가 축적됨으로써 신호서열이 정확히 발현되고 그래서 어느 하나도 빠짐없이 미토콘드리아로 표적화되어 돌아오게 된다는 것은 도저히 불가능한 일이라 아니할 수 없다.
또한 이들을 이동시켜 미토콘드리아 안으로 유입시키거나 막에 삽입시키는 복잡한 분자장치는 어떠한가? 이 분자장치들은 진화 단계의 세포에도 전혀 존재하지 않았을 뿐더러, 또한 mtDNA에도 암호화되어 있지 않았던 새로운 단백질들이다. 숙주 세포 자신이 미토콘드리아로 가야 할 단백질들을 위해 제공하고 있는 이들 분자 장치들은 과연 어디서 유래한 것인가? 특히 세포질에 존재하는 여러 샤프론 단백질들 중 오직 미토콘드리아 단백질들만 특이적으로 인식하여 이동시켜주는 MSF의 존재는 무엇을 의미하는가? 더욱 이해하기 어려운 것은 미토콘드리아 외막과 내막에서 미토콘드리아 단백질들을 인식하고 유입시켜주는 수용체들과 이동효소(translocase)들이라 하겠다. 이들은 진화 초기단계의 미토콘드리아에는 존재하지 않았으므로 원래의 mtDNA에도 암호화되지 않았으면서도, 그 자신들 또한 미토콘드리아 단백질로 인식되어 미토콘드리아로 표적화되어 유입된 단백질들이다. ‘유전자 전달 가설'을 따라 유전자 이동을 받아들이려면 이동되지 않은 유전자의 발생에 대해서까지 가설을 세워야 하는 그야말로 가설 자체의 논리전개 상의 한계를 명백히 드러내고 있는 것이다.
지금까지 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설에 대한 문제점들을 고찰함에 있어, 유전체 염기서열 판독결과에 의한 진화론적 해석과 기존의 해석 간에 일어나는 논리적 갈등, 유전자 전달 가설 자체가 가지는 논리적 모순성, 포유동물의 미토콘드리아에서만 나타나는 독특한 특징들이 보여주는 반진화론적 반증들, 미토콘드리아 단백질들의 합성과 이동 메커니즘에서 나타나는 미토콘드리아 진화가설의 논리상 부적합성 등을 중심으로 살펴보았다. 1970년에 발표된 후 현재에 이르기까지 진화론적 생물학의 다각적인 지지를 받아 오면서 마치 다른 대안적 가설은 존재할 수 없을 것처럼 그 입지를 굳혀가고 있는 형상이다. 그러나 본 고찰에서 살펴본 바와 같이 무리한 논리전개와 모순성들을 지니고 있으면서도, 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설은 ‘유사성’이라는 대전제를 논리적 근거로 앞세우고 흔들림 없이 모든 새로운 발견들을 그 틀 안에 맞추어 가고 있다. 그 위세는 '유사성‘의 전제에 위배되는 현상이 관찰된다 하더라도 또 다른 가정을 도입하면서까지 그 근간을 지켜나갈 정도로 이미 진화 생물학 안에 뿌리를 깊게 내리고 있는 것이다. ‘미토콘드리아는 세포내공생에 의해 발생 진화하였다’라는 가설의 결론은 이미 불변의 사실로 못 박아 둔 채, 얻어지는 모든 실험적 데이터들은 그 결론에 합당하도록 배열되고 해석되는 연역적 논리전개 방식은 모든 분야의 진화론적 논증법과 동일하다.
하지만 분명한 것은 이러한 논리전개 방식이 관련 분야에 있어서 다양한 가설의 형성과 발전을 저해하게 된다는 것을 부인할 수 없다. 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설의 강력한 연역적 논리전개는 결국 진핵세포 내의 미토콘드리아라는 세포 소기관 고유의 ‘독립적인 구조와 기능’에 대한 연구에 장애가 되고 있다. 애초에 미토콘드리아를 가지고 존재했을 수도 있는 진핵세포에 대한 세포학적 탐구를 차단함으로써 결국 미토콘드리아가 세포 자체에 미치는 기능적 구조적 기여를 객관적으로 설명하는 것은 이미 불가능해진 상태가 되어 버렸다.
4. 미토콘드리아 리보솜 진화가설에 대한 고찰과 비판
이번에는 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설의 한 부분으로서 미토콘드리아 리보솜 (mitochondrial ribosome, mitoribosome)의 진화론적 가설에 대해 살펴보도록 하자. 포유동물의 미토콘드리아 리보솜은 미토콘드리아 내막의 안쪽(matrix)에 존재하면서 미토콘드리아 내막에서 전자전달계를 통한 산화적 인산화 과정을 일으키는 13개 단백질을 합성해내는 역할을 한다. 앞에서 언급한 바와 같이 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설에 의하면 미토콘드리아 조상으로 가장 가까운 박테리아 종은 α-proteobacteria 중 리케치아 아문(rickettial subdivision)에 속한 박테리아인 것으로 추정하고 있다. 따라서 미토콘드리아 리보솜은 그 구조와 기능에 있어서 박테리아 리보솜과 유사할 것으로 생각되어 왔다. 그러나 실제 미토콘드리아 리보솜은 박테리아 리보솜과는 상당히 다른 모습을 보여준다. 많은 미생물학 교과서에서는 박테리아 리보솜과 미토콘드리아 리보솜이 동일하게 70S라는 침강계수를 보여주기 때문에 미토콘드리아의 세포내공생 진화를 뒷받침하는 것으로 서술하고 있지만, 그것은 잘못된 내용이다. 미토콘드리아 리보솜은 진핵세포의 종류에 따라 침강계수가 달라서 효모는 73S, 식물체에서는 78S, 포유동물에서는 55S를 나타내어 박테리아 리보솜과는 매우 다르며, 침강계수를 기준으로 본다면 진화 순서 상의 연속성과도 일치하지 않는다.
또한 포유동물의 미토콘드리아 리보솜은 침강계수는 박테리아 리보솜보다 낮지만 분자량이나 공간적인 크기는 오히려 더 크다는 사실도 염두에 두어야 한다. 박테리아 리보솜과 미토콘드리아 리보솜을 단순 비교하여 진화적 연관성을 언급하는 것은 곤란하다는 것이다. 그리고 포유동물 중에 소(bovine)의 미토콘드리아 리보솜을 예로 들어 보면, 침강계수는 55S이고 분자량은 2.83 megadalton(MDa)이며, small subunit(28S)와 large subunit(39S)로 구성되어 있다(Hamilton and O'Brien, 1974; O'Brien, 2002). 놀라운 것은, 미토콘드리아 리보솜의 rRNA 및 단백질 구성을 분석한 결과, 소의 미토콘드리아 리보솜은 박테리아 리보솜과 완전히 상반된 조성을 가지고 있다는 사실이다(O'Brien, 2002). 즉, 박테리아 리보솜은 RNA의 양이 단백질의 양보다 2배 많은데 비해, 소의 미토콘드리아 리보솜에는 오히려 단백질의 양이 RNA의 양보다 2배 많아 정반대의 구성으로 되어있다는 것이다. 이들의 구체적인 함량을 다음 표에 정리하여 비교하였다.
| | 소의 mitoribosome1 | 박테리아 ribosome2 |
Small subunit
rRNA
Protein
Large subunit
rRNA
Protein
Protein:RNA ratio | 28S
12S (950 nt*)
29 proteins
39S
16S (1,560 nt)
48 proteins
69:31 | 30S
16S (1,542 nt)
21 proteins
50S
5S (120 nt), 23S (2,904 nt)
33 proteins
33:67 |
1. Koc et al., 2001; O'Brien et al., 2000; Suzuki et al., 2001a, 2001b
2. Wittman-Liebold, 1985
* nucleotides
앞에서 언급한 바와 같이 모든 진화가설의 중심에는 ‘유사성’이라는 논리의 근거가 이용된다. 유전체의 염기서열과 단백질의 아미노산 서열에서 나타나는 유사성이 생물종 간의 진화적 연관성의 척도가 되고 생물종들의 진화적 분류에 있어 가장 중요한 기준이 되고 있는 것이다. 미토콘드리아 진화가설에 있어서도 박테리아(symbiont)가 원시적인 초기 진핵세포(host)와의 세포내공생에 의해 진핵세포의 미토콘드리아로 진화하였다는 논리의 중심에는 박테리아와 미토콘드리아에 존재하는 각 유전체의 염기서열과 각 단백질의 생화학적 특성들이 유사성을 보여준다는 사실을 가장 중요한 근거로 삼고 있다.
하지만 박테리아와 미토콘드리아의 리보솜이 갖는 RNA 및 단백질로부터 관찰되는 특징들은 어떠한가. 예상과는 너무나 다르게도 RNA-단백질 조성은 완벽하게 정반대의 구성을 보여주고 있는 것이다. 이러한 논리적 장벽에 부딪힌 미토콘드리아 진화가설은 현재 새로운 진화론적 논리의 돌파구를 찾기 위해 노력하고 있다. 예를 들면 미토콘드리아는 진화를 거치면서 미토콘드리아 리보솜의 단백질이 추가되거나 크기가 커지면서 점점 짧아져가는 rRNA를 기능적 및 구조적으로 보완하게 되었다는 설명이 그것이다(Suzuki et al., 2001a, 2001b; Sharma et al., 2003). 그 근거로 제시된 것은, 미토콘드리아 리보솜에서 짧아진 rRNA의 결합 부위(binding site) 근처에 있는 단백질들이 그와 대응되는 박테리아 리보솜의 단백질과 비교할 때 크기가 상대적으로 크게 나타난다는 것이다. 하지만 이러한 설명은 매우 설득력이 부족하다. rRNA 결합부위 근처의 단백질이 커지고 rRNA의 구조와 기능을 보완해준다고 해도, 미토콘드리아 리보솜의 단백질 함량 비율이 박테리아 리보솜보다 높은 이유에 대해 전혀 답이 될 수 없다는 것이다. 왜냐하면 대부분의 미토콘드리아 리보솜 단백질들(mitochondrial ribosomal proteins, MRPs)은 미토콘드리아 리보솜에서 합성하는 것이 아니라, 핵 DNA에 암호화되어있어 세포질의 리보솜에 의해 합성된 후 미토콘드리아로 유입되기 때문이다(Graack and Wittmann-Liebold, 1998). 효모의 미토콘드리아 리보솜의 경우에는, 50여종이 넘는 MRP 중, small subunit의 단백질인 var1라는 단백질 하나만 제외하고 나머지 모든 단백질이 세포질에서 합성되고 있으며, 인간, 소 등 포유동물의 미토콘드리아 리보솜의 경우에는 모든 MRP가 세포질에서 합성되고 있다. 즉, MRP의 합성에는 미토콘드리아 리보솜 rRNA가 관여하지 않으며 미토콘드리아 리보솜 rRNA의 기능이란 미토콘드리아의 전자전달계에 관련되는 13개 단백질의 합성에 국한되어 있다. 따라서 미토콘드리아 리보솜 내 rRNA 주변의 단백질이 커짐으로써 rRNA의 구조와 기능을 보완한다는 것은 미토콘드리아 리보솜 자체의 높은 단백질(MRPs) 함량과는 아무런 관계가 없는 것이다.
결국 미토콘드리아 리보솜의 단백질 대 RNA 비율이 박테리아 리보솜과 정반대라는 사실이 밝혀짐에 따라, 미토콘드리아와 박테리아를 진화론적으로 연결시키는 세포내공생 가설은 해결하기 어려운 논리적 모순성에 부딪히게 되었음을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 인간, 소, 효모(yeast), 마우스(mouse), 랫드(rat) 등의 MRP들에 대해 아미노산 서열을 비교한 결과 이들 사이에서는 유사성을 발견하기가 어려울 정도로 각각의 특징적인 서열을 보여주고 있다는 사실에 주목할 필요가 있다(Graack and Wittmann-Liebold, 1998; O'Brien et al., 2000). 진핵세포의 진화과정을 고려한다면 당연히 MRP에 대해서는 생물종 상호 간에 유사성이 존재하여야 하지만, 실제 그러한 유사성이 관찰되지 않는다는 것이다. 앞서 언급한 바와 같이 유사성이라는 기준은 진화가설에 있어서 가장 근본적인 대전제임을 상기할 때 미토콘드리아의 진화가설과는 정면으로 대립됨을 알게 된다. 이렇듯 여러 생물종들의 MRP들에 대한 연구결과들은 세포내공생 진화가설이 맞부딪힌 논리적 장벽을 더욱 극복하기 어렵게 하고 있는 것이다.
결 론
지금까지 살펴 본 미토콘드리아 리보솜의 특징들을 볼 때 오히려 미토콘드리아는 박테리아로부터 진화되었다기 보다는 각각의 고유 특성을 가지고 존재하는 다양성을 보여주고 있다고 보는 것이 더 타당함을 알 수가 있다. 기본적으로 세포 호흡과 관련되는 시스템은 생물종 전체가 동일한 원리로 운영되기 때문에 시스템을 구성하는 단백질들 및 그들을 암호화하는 유전정보는 유사할 수밖에 없다. 유사성이란 세포가 생명현상을 운영함에 있어 보편적인 원리를 채용하고 있음으로 인해 관찰되는 당연한 현상이라고 볼 수 있다. 두 생물종의 유사성 자체는 두 종을 생물학적으로 관련짓고 진화적 방향성을 부여할 수 있는 아무런 근거도 제시하지 않는다는 점에 유의하여야 한다. 오히려 각 생물종은 모든 생물의 기본보편적 생명현상에 대한 유전정보에 그 생물종 만의 특징을 표현하는 유전정보가 추가적으로 혼재하면서 한 생물종으로서의 조화로운 완성체를 이루고 있다고 볼 수 있다. 각 생물종이 가지고 있는 미토콘드리아 역시 모든 생물이 수행하는 세포 호흡, 즉 전자전달계를 통한 산화적 인산화에 의해 에너지를 생산하는 보편적인 기능을 수행함과 동시에, 각 생물종 만의 가지는 특성들을 함께 가지고 있다. 이러한 특성은 미토콘드리아의 유전체에서, 그리고 미토콘드리아의 단백질들을 암호화하는 핵 유전체에서 각 생물종에 따라 독특한 염기서열로 나타나고 있으며, 또한 미토콘드리아 리보솜의 구성과 MRP의 아미노산 서열상에서의 차별성으로 나타나고 있는 것이다.
앞서 미토콘드리아 진화가설의 문제점을 비판 고찰한 부분에서도 문제제기한 바와 같이 미토콘드리아 리보솜의 진화가설에서도 동일하게 연역적 논리전개 방식으로부터 근본적인 문제가 발생함을 알 수 있다. 생물의 진화론에서 흔히 사용되는 '상동성(homology, 상동관계)’이라는 개념이 있다. 원래 공통조상으로부터 유래되어 발생되는 염기 또는 아미노산 배열 상의 유사성을 표현하는 것이지만, 최근 생물정보학(bioinformatics) 분야에서는 단순히 ‘유사한 서열’까지도 상동성이라고 쉽게 부르고 있다. 특정 생물종 간에 나타나는 염기 또는 아미노산 서열이 상동성을 가지게 되면 그 유전체 또는 단백질은 진화론적 상관관계가 규정되면서 각각의 구조와 기능에 있어서도 상호 간의 관계를 중심으로 이해하게 되는 것이다. 하지만 그들의 구조와 기능은 유사한 부분은 물론 서로 다른 부분도 함께 가지고 있음을 우리는 잘 알고 있다. 문제는 그들을 분석함에 있어 유사한 부분을 이해의 중심에 놓고 해석하는 방식과 서로 다른 특징적 부분으로부터 논리를 세워가는 방식이 서로 다른 결론을 낳을 수 있다는 사실이다. 여기서 우리는 상동성에 집중된 해석방식으로는 특징적 부분이 가질 수 있는 구조적, 기능적 의미들을 정확하게 알아내기 어렵게 될 수 있다는 점에 보다 유념할 필요가 있다. 구조와 기능의 기원을 탐구함에 있어 유사성을 기준으로 한 진화적 방향성을 미리 전제하고 접근하는 것이 그 기원 자체에 대한 창의적 분석에 대해서는 치명적인 방해요인이 됨을 간과해서는 안 된다.
본 고찰에서는 생물종간에 나타나는 상동성을 진화론적 유사성의 표현이 아니라, 생물종 간의 기본적 생명현상에 대한 표현이며 다양성이 표현되기 위한 하나의 기반으로 이해하고 접근하는 방식을 제안한다. 특히 본 고찰에서 발견된 미토콘드리아 만이 갖는 고유의 특징들은 세포의 발전소(power plant)로서의 그 고유기능을 담당하기 위한 지적인 설계의 반증으로 인식되어야 함을 아울러 제안한다. 우리는 이 고찰에서 미토콘드리아가 박테리아와 다르고, 생물종 간에서도 서로 다른 특징을 보여주는 예들을 살펴보았다. 그리고 새롭게 관찰되는 모든 결과들이 이미 정해진 결론에 맞도록 해석되어지고, 그 결론에 맞지 않는 결과에 대해서는 새로운 가정을 도입하면서까지 동일한 결론으로 귀결시키려 노력하는 논쟁들이 있음도 볼 수 있었다. 이는 가히 미토콘드리아 및 미토콘드리아 리보솜 진화가설이 가지는 열렬한 신앙적 단면이라 아니할 수 없다.
미토콘드리아는 진정한 과학의 영역으로 되돌아와야 한다. 박테리아로부터의 진화라는 정해 놓은 결론의 굴레를 벗겨주고, 더 이상 ‘그렇지 않은’ 기원론 속에 갇혀있지 않도록 이제는 미토콘드리아를 과학의 냉철함으로 바라보아야 할 것이다. 모든 과학적 능력과 데이터들은 미토콘드리아를 보다 객관적이고 창의적으로 탐구하는데 집중되도록 쓰여야 한다. 그렇게 해야만 생물계가 가지고 태어난 신비하고 아름다운 세포소기관으로의 미토콘드리아가 비로소 그 본래의 존재 의미를 되찾게 될 것이며, 우리에게 그 놀라운 자태를 속속 드러내게 될 것이기 때문이다.
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Abstract
How mitochondria originated and have evolved is the closely connected issue to recent debates on the eukaryotic cell evolution. As a favored model for explaining the generation of mitochondria, the endosymbiotic evolution theory is defining events in the evolutionary process. If we focus only on a few similar figures of bacteria and mitochondria, it seems like a just-so story. Many molecular and cell biological facts, however, strongly suggest that the evolutionary endosymbiosis cannot give any possibility of generation of mitochondria. Genome sequence data, pattern of mitochondrial codon recognition, features of mitochondrial protein import system show that the endosymbiosis theory is so baseless in scientific aspects. Several features of mitochondria rather indicate that the amazing organelle exists as an intentionally designed component in cells. Considering the mitochondria as a designed organelle, not an evolved one, for eukaryotic cells will be essential for a full understanding of the origin of cell.
Key words : Mitochondria, mitochondrial ribosome, endosymbiosis, evolution, intelligent design.
(본 논문은 통합연구 제18권 2호 (통권45호) 에 실린 내용입니다.)
구분 - 3
옛 주소 - http://www.kacr.or.kr/library/itemview.asp?no=3247
참고 :
미토콘드리아 및 미토콘드리아 리보솜의 세포내공생 진화가설에 대한 비판적 고찰
(A Christian Critical Perspective on the Evolutionary Endosymbiosis
of Mitochondria and Mitochondrial Ribosomes)
현창기
1. 서 론
지구상에 존재하는 모든 세포는 원핵세포(prokaryotic cells)과 진핵세포(eukaryotic cells)의 두 가지로 분류된다. 그리고 모든 생물은 분류되기를 박테리아(Bacteria), 고대박테리아(Archeae), 및 진핵생물(Eukarya)의 3개 영역(domain)으로 나뉘는데, 이들을 다시 5계의 분류체계(five-kingdom system)로 나눈다면 원핵생물계(Monera), 원생생물계(Protista), 균계(Fungi), 식물계(Planta), 동물계(Animalia)로 나뉘게 된다. 이 중 박테리아 및 고대박테리아 영역, 즉 원핵생물계는 이른바 세균이라 불리우는 생물로서 원핵세포에 해당하며, 원생생물계, 균계, 식물계, 동물계 등을 모두 포함하는 진핵생물 영역의 생물들은 진핵세포로 구성되어 있다.
이러한 세포들의 기원에 대해서는 진핵세포가 원핵세포로부터 진화되었다고 설명되고 있다. 즉 두 가지 과정에 의해 원핵세포에서 진핵세포로 진화하게 되었는데, 첫 번째 과정은 막함입(membrane infolding, 막주름) 과정으로서 원핵세포의 원형질막(cytoplasmic membrane)이 세포 안쪽으로 접히면서 중첩이 일어나 미토콘드리아와 엽록체(chloroplast)를 제외한 여러 가지 세포소기관들이 발생되었다는 것이며, 두 번째 과정에서는 세포내공생(endosymbiosis) 과정으로서 막함입이 일어나 형성된 큰 원핵세포에게 다른 작은 원핵세포가 잡아먹힌 후 공생관계가 유지되면서 미토콘드리아와 엽록체로 진화하게 되었다는 것이다. 여기서 미토콘드리아의 조상이 된 원핵세포는 산소를 이용하여 세포호흡(cellular respiration)을 하는 호기성 박테리아(aerobic bacteria)의 일종이었으며, 이 세포에 의해 만들어지는 많은 에너지를 숙주(host)가 된 원시 진핵세포가 이용하게 되고 숙주세포에 머물게 된 세포는 생화학적으로 점차 숙주에게 의존하게 되면서 형성된 상호 의존성을 바탕으로 하나의 개체 세포로 진화하게 되었다고 설명되고 있다. 한편 엽록체의 조상이 된 원핵세포는 광합성 박테리아(photosynthetic bacteria)의 일종으로서 미토콘드리아의 진화과정과 유사한 세포내공생 관계가 형성되었다고 보고 있다.
그렇다면 미토콘드리아의 진화를 설명하는 이 세포내공생 가설은 어떤 관찰 근거들을 가지고 주장되고 있는가. 그것은 바로 박테리아와 미토콘드리아 간에서 발견되는 유사성(similarities) 때문이라 하겠다. 진핵세포 내에 존재하면서도 독자적인 유전체(genome)과 리보솜을 가지고 이분법(binary fission)으로 분열하는가 하면, 그 유전자 및 단백질들의 염기 및 아미노산 서열에 있어 상호 유사성이 발견된다는 것이다. 하지만 유사성에 기초한 세포내공생 진화가설의 내용을 들여다보면 그 유사성이 위배되는 문제로 인해 모순성을 드러내는 여러 부분들이 발견되고 있다. 특히 최근 여러 생물 종에 대한 미토콘드리아 유전체(mitochondrial genome)의 염기서열 분석이 속속 완성됨에 따라 그 분석 데이터들을 근거로 하여 미토콘드리아 및 미토콘드리아 리보솜에 대한 세포내공생 진화가설에 대한 새로운 해석들이 90년대 말부터 활발하게 제시되고 있다. 하지만 이로부터 얻어지는 새로운 분자생물학적 관찰결과들은 오히려 세포내공생에 대한 기본적인 의문들을 야기하고 있음을 보게 된다.
본 고찰에서는 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설에 있어서의 논리 전개방식을 소개하는 한편, 새롭게 주장되는 해석들과 기존 가설과의 갈등의 내용들을 살펴보고, 또한 이 진화가설 자체가 가지고 있는 논리상 문제점들을 지적 비판하고자 한다.
1. 세포내공생 진화 가설 (Endosymbiotic evolution theory)
생물의 진화를 설명함에 있어 약 15억년보다 오래된 연대로 추정되는 화석에는 현존하는 원핵세포들의 형태와 크기와 유사한 단순한 생물체들이 나타나며, 15억년전 이후부터 초기 진핵세포들이 발생되어 나온 것으로 추정하고 있다. 원핵세포로부터 진핵세포로 진화하기 위해서는 3가지 중요한 단계가 있었음이 강조되고 있다.
첫 단계에서는 고대박테리아(archea)의 일종으로 추정되는 원핵세포가 더 많은 DNA를 얻게 되고, DNA 분자를 특정 단백질들과 결합시켜 독립적인 복합체(염색체, chromosome)로 보다 밀도있게 접어주는(folding) 한편, 세포분열시 이를 동일하게 나누어 딸세포(daughter cell)에 나누어 주는 일련의 메카니즘이 보다 정교해지게 되었다는 것이다.
이어서 두 번째 단계에서는 세포가 더욱 커지고 세포 내에는 막함입에 의해 막 구조물들(intracellular membranes)이 형성되어, DNA가 이중막(double membrane)으로 둘러싸여 핵(nucleus)을 형성하게 되면서 RNA 합성과정은 핵 내에서, 단백질 합성과정은 세포질에서 일어나도록 분리된다. 이것이 바로 혐기성(anaerobic)의 초기 진핵세포(early eukaryotes)인데 아직은 광합성(photosynthesis)이나 호기적 대사(aerobic metabolism)을 할 수는 없는 상태였다고 주장되어지고 있다(Fenchel and Finlay, 1994).
세 번째 진화단계에서는 이러한 초기 진핵세포에 호기성 박테리아와의 세포내 공생관계(endosymbiosis)가 형성되면서 박테리아가 미토콘드리아로 진화하게 된다. 광합성 박테리아의 경우에는 유사한 과정을 통해 녹조류(green algae)의 엽록체 등 플라스티드(plastids)로 진화하여 차후에 식물체(plants) 엽록체의 조상이 되었다는 것이다(Margulis, 1993; Gray 1989).
이러한 세포내공생의 과정을 거쳐 초기 진핵세포는 다양한 단세포 원생생물(unicellular protists)로 진화하면서 유글레나(Euglena), 클라미도모나스(Chlamydomonas)와 같은 광합성 능력이 있는 조류(photosynthetic protists, algae)와 짚신벌레(Paramecium), 점균류(Dictyostelium)와 같은 광합성을 할 수 없는 원생동물(nonphotosynthetic protists, protozoa)로 나뉘게 되고, 계속하여 다세포 생물인 진균류(fungi) 및 동, 식물이 진화되어 나오게 되었다는 것이 세포내공생 진화가설의 주요 맥락으로 요약될 수 있다.
1920년대에 이미 제기되었던 세포내공생 진화가설은 1970년에 린 마굴리스(Lynn Margulis)에 의해 정리된 가설로 발표되었고(Margulis, 1970), 초기에는 많은 비판을 받기도 하였지만 현재는 이른바 ‘단계적 세포내 공생론(the serial endosymbiosis theory)'이라는 이름으로 진핵세포 진화가설의 주류가 되었다. 마굴리스는 초기 진핵세포가 혐기성의 고대박테리아에 스피로헤타(spirochetes)가 공생함으로써 형성되었다고 추가적인 가설을 제안하였지만(Margulis, 1993), 최근에는 초기 진핵세포의 형성에 대해서 ‘수소 가설(hydrogen hypothesis)'이라는 새로운 가설이 제안되면서 활발한 토론이 계속되고 있다(Martin and Muller, 1998).
이 가설에 의하면 혐기성이면서 수소를 절대적으로 필요로 하고 탄소 고정능력이 있는 고대박테리아가 숙주가 되고 수소와 이산화탄소를 노폐물로 배출하는 혐기성 진정박테리아(eubacterium)가 공생균(symbiont)이 되어 대사적 결합이 일어나게 되었다고 주장된다. 이 가설에서는 미토콘드리아를 갖지 않는 진핵세포가 가지는 효소의 일부가 진정박테리아의 것과 유사하며 하이드로게노솜(hydrogenosome, 미토콘드리아를 갖지 않는 진핵세포에서 발견되며 수소를 발생시키고 ATP를 생산해내는 세포 소기관)이 미토콘드리아와 공통적인 특성을 갖는다는 점을 근거로 제시하고 있다(Lopez-Garcia and Moreira, 1999).
어찌 되었든 진핵세포의 진화를 설명하는 가설들에 있어서 그 핵심은 미토콘드리아의 진화에 있는 만큼, 본 고찰에서는 미토콘드리아 및 미토콘드리아 리보솜(mitochondrial ribosome)의 진화에 대한 가설에 초점을 맞추어 살펴보았다.
2. 미토콘드리아 유전체의 염기서열과 미토콘드리아 진화가설의 문제들
진핵세포의 세포내공생 진화가설에 있어서 진화론 내에서도 다음과 같은 의문들에 대한 논쟁은 계속되고 있다. 미토콘드리아는 진핵세포의 나머지 부분들과 동시에 발생했는가? 미토콘드리아는 호기적 세포호흡을 담당하고 있는데 최초 발생시의 조건은 혐기적이었는가? 호기적이었는가? 미토콘드리아와 하이드로게노솜 사이의 진화적 연관성은 무엇이며 그것은 타당한가? 즉 또 다른 적응의 형태인가, 아니면 진화적으로 보다 원시적인 단계로서 진핵세포로의 진화과정에서 분화되어 나온 형태인가 라는 질문들이 그것이다. 아직도 이들 의문들은 여전히 논쟁의 대상이 되고 있지만(Gray et al., 1999; Lang et al., 1999a), 최근의 각종 유전체 연구를 통해 얻어진 결과를 이용하여 미토콘드리아의 기원과 진화에 대한 유전체학적 설명들이 시도되고 있다.
지난 20여년간 여러 미토콘드리아 DNA(mtDNA)의 염기서열이 완전 해독되면서 미토콘드리아 유전체(mitochondrial genome)의 구조 뿐만 아니라, 유전자의 함량, 조직, 발현에 이르기까지 다양한 측면에서의 분석이 이루어졌다(Lang et al., 1999b; Boore, 1999). 특히 원생생물(protists) 및 진균(fungi)의 mtDNA에 대한 미토콘드리아 유전체(mitochondrial genome) 염기서열 해독 프로젝트가 진행되어(The Organelle Genome Megasequencing Program, OGMP, [http://megasun.bch.umontreal.ca/ ogmpproj.html], The Fungal Mitochondrial Genome Project, FGMP, [http://megasun.bch.umontreal.ca/People/lang/FMGP/FMGP.html]), 이로부터 미토콘드리아 유전체의 진화에 대한 여러 시각들이 제시되기에 이르렀다.
그 첫 번째로는 ATP 생산과 미토콘드리아 단백질(mitochondrial protein)의 번역(translation)이 미토콘드리아의 기능에 있어서 기본이 되는 것인데 이 기능은 모든 미토콘드리아 유전체에 있어 공통적이며 결국 α-proteobacteria 조상으로 역추적된다는 것이다 (Gray et al., 1999; Lang et al., 1999a). 또 한가지는 현재까지 알려진 미토콘드리아 유전체 중 가장 원시적이면서 가장 박테리아에 가깝고(most bacterium-like) 가장 유전자를 많이 보유함으로써(most gene-rich) 가장 초기 진화단계의 미토콘드리아를 보여주는 것은 원생생물인 Reclinomonas americana의 mtDNA로서 69,034개 염기쌍(bp)의 크기로 나타났다(Lang et al., 1997). 다른 종류의 원생생물과 진균, 그리고 모든 동물의 mtDNA들은 R. americana의 mtDNA로부터 분화되어 발전된 것으로 볼 수 있다는 것이다.
유전체 염기서열 분석으로 얻어지는 또 하나의 결론은, 이들 미토콘드리아 유전체들은 “축소적 진화(reductive evolution)'를 통해 그 유전자의 수, 즉 암호화 능력(coding capacity)이 박테리아의 유전체에 비해 현저하게 낮아지는 과정을 거치게 되었다는 것이다(Andersson and Kurland, 1998). 축소적 진화 과정의 주 원인으로는 미토콘드리아로부터 핵으로의 유전자 이동(mitochondrion-to-nucleus gene transfer)을 들고 있고(Gray et al., 1999; Lang et al., 1999; Adams et al., 2000), 어떤 유전자의 경우에는 상호 무관한 별도의 핵 유전자(nuclear gene)에 의해 그 기능이 대체됨으로써 유실될 수도 있었을 것으로 보고 있다(Gray and Lang, 1998). 한편 핵 유전자에 의한 기능적 대체 없이도 특정 미토콘드리아 유전자가 완전히 유실될 수도 있다는 가설도 제시되고 있다(Kurland and Andersson, 2000).
또한 유전체 염기서열 분석에 의하면 미토콘드리아 유전체(즉 미토콘드리아 자체)으로의 진화는 단 한번밖에 일어나지 않았다고 주장되고 있다(Gray et al., 1999; Lang et al., 1999a; Gray, 1999). 이 주장의 근거로는 특정 기능을 담당하고 있는 미토콘드리아 유전자들은 R. americana의 mtDNA에서 발견되는 것들의 일부분들로 보인다는 점(약간의 예외는 있음: Pont-Kingdon et al., 1998)과, 많은 경우에 미토콘드리아 단백질을 암호화하는 유전자 군(cluster)들은 박테리아에서 발견되는 유사유전자(homolog)들에서 나타나는 유전자 순서를 유지하고 있고 미토콘드리아의 종류에 따라 나타나는 특별한 유전자 소실이 있다 하더라도 그들이 공통조상으로부터 각각 분화되어 나왔다고 보기에는 어렵다는 점 등을 들고 있다.
마지막으로 미토콘드리아 유전체 염기서열 분석을 통해 주장되는 또 하나의 내용은 핵 DNA(nuclear DNA)와 mtDNA로부터 각각 만들어지는 계통수(phylogenetic trees)를 비교해 볼 때 상호간에 매우 유사하게 진화가 진행되어 왔음을 발견하게 된다는 것이다(Philippe et al., 2000; Gray et al., 1999; Lang et al., 1999a). 하지만 이 주장은 그러한 계통수에서 확실한 진화를 보여주는 진핵세포 종들(species)과 다른 종들 간의 연결에 대해서는 아직 잘 알 수 없다는 설명을 덧붙이고 있다.
지금까지 밝혀진 여러 박테리아 유전체 염기서열(bacterial genome sequences) 중에는 Rickettsia prowazekii (1,111,523 bp)의 것이 가장 미토콘드리아에 가까운 서열을 보여준다(Andersson et al., 1998). 한편 앞서 설명한 바와 같이 가장 박테리아에 근접하는 DNA 염기서열을 가지는 것은 R. americana의 mtDNA이다. 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설에서는 이 두 DNA 염기서열의 상호 비교에 의해, 리케치아(Rickettsia)가 속하는 α-proteobacteria 계통의 한 아문(subdivision)으로부터 미토콘드리아가 진화되어 나왔을 것으로 추정하고 있다. 그러나 이 비교 결과를 구체적으로 들여다보면 이들 두 염기서열은 그러한 결론을 내기에는 자연스럽지 않은 여러 특징들을 보여주고 있다.
그 첫 번째로는, R. prowazekii 유전체와 R. americana mtDNA의 염기서열은 다른 많은 병원성 박테리아들의 유전체에서 나타나는 것처럼 각각의 독립적인 진화 상의 유전자 축소과정(reductive evolution)으로부터 발생된 것으로 보인다는 점이다(Gray et al., 1999; Gray et al., 2001). 특히 유전자 순서 등의 상호 연관된 특성을 살펴볼 때 다른 박테리아 유전체들과 구별되는 어떤 것도 발견되지 않는다는 점에 주목할 필요가 있다. 오히려 이들은 공통의 조상으로부터 나와 서로 분리된 유전체 축소(genome reduction) 과정을 거쳐 왔을 가능성이 더 높다고 주장되고 있어서(Gray et al., 1999; Gray, 1998), 진화론적인 해석에 있어서도 상반되는 설명이 동시에 제시되고 있는 것이다.
두 번째로 볼 것은, R. prowazekii 및 미토콘드리아는 ATP 생산의 관점에서 볼 때 매우 유사한 기능적 특성들을 보이고 있지만, ATP의 이용에 대한 측면에서는 서로 매우 다르다는 점이다. 예를 들면, 미토콘드리아는 생산된 ATP를 세포질로 방출시키지만 리케치아는 자신이 생산한 ATP를 스스로 사용하며 오히려 그 숙주세포로부터 ATP를 잡아들이기까지 한다(Andersson, 1998). 즉 미토콘드리아 및 리케치아의 막(membrane)에 각각 존재하는 ADP/ATP 이동효소(translocase)들을 보면 상호 간에 특별한 유사성 관계가 관찰되지 않는다는 것이다. 이것은 기생 박테리아와 세포 소기관이 공통 조상으로부터 갈라져 나온 후 세포 내에서의 적응과정에서 각각 독립적으로 진화해 온 것을 보여주는 것이라고 해석되고 있다. 즉 리케치아와 미토콘드리아의 진화적 상관성이 정면으로 부정되고 있는 것이다. 리케치아와 미토콘드리아가 모두 해당작용(glycolysis)에 관련하는 효소들을 가지고 있지 않다는 점 등의 대사적 유사성(metabolic similarities)을 들면서 이들이 진화 상의 수직적 관계에 있는 것이 아니라 공통 조상으로부터 분화되어 나왔다고 주장되고 있는 것을 볼 때에도(Andersson et al., 1998; Muller and Martin, 1999) 미토콘드리아의 진화가설이 가지는 자기 모순적인 측면을 엿볼 수가 있다. 즉, 유전체 염기서열의 판독결과에 의하면 수직적인 진화과정 중에 있는 것으로 보이지만, 생화학적 및 생물물리화학적 분석으로는 정반대로 공통조상에서 나온 수평적 관계를 보여주고 있다는 것이다.
세 번째로 살펴볼 것은, 리케치아 그 자체가 절대적으로 숙주세포가 필요한 기생성 박테리아라는 점을 고려한다면 미토콘드리아의 조상이 자유롭게 서식하던(free-living) α-proteobacterium 이었을 때 가지고 있었을 자유 서식에 필요한 유전자들을 어떻게 보완해 왔는지에 대한 의문을 풀 수 없다는 것이다. 즉, 그 보완 유전자들에 대한 설명이 가능하기 위해서는 자유 서식 α-proteobacteria의 훨씬 큰 유전체에 포함된 다양한 유전자들에 대한 보완 유전자들 가지고 있어야 하지만, 리케치아의 작은 유전체는 그러한 대사적 다양성의 변화과정을 보여주지 못한다는 점이다.
그럼에도 불구하고 최근 완전 해독된 Caulobacter crescentus의 유전체(4,016,942 bp)과 이와는 근본적으로 다른 종류의 α-proteobacteria인 Bradyrhizobium japonicum의 유전체(8.7 megabase) 및 광합성 α-proteobacteria(Rhodobacter 등)의 유전체 염기서열들을 비교한 결과를 이용하여, 미토콘드리아의 조상(the proto-mitochondrion)이 이들로부터 대사적 변화능력(metabolic versatility)을 물려받았다고 하는 주장도 여전히 공존하고 있다(Nierman et al., 2001). 유전체 상으로는 가장 미토콘드리아의 조상으로 유력한 리케치아가 전혀 그러한 대사적 변화능력에 대한 보완적 유전자를 보여주지 못하고 있는 가운데 α-proteobacteria로부터의 미토콘드리아 진화가설은 또다른 α-proteobacteria 유전체 염기서열을 이용하여 여전히 주장되어지고 있는 상황인 것이다.
이와 같이, 최근 밝혀지고 있는 유전체 염기서열 판독의 결과들로부터 추론되는 진화론적 해석들을 살펴보면 기존의 생화학, 생리학, 물리화학적 연구결과로부터 세워왔던 미토콘드리아 진화가설에 빈번히 상반되는 내용들이 주장되고 있음을 알 수 있다. 그런데 또한 이들 상반된 주장들의 논리는 그 특성상 상호 타협이 이루어질 수 없는 것들임을 보게 된다. 다시 말해서, 현재와 같은 진화론적 해석들이 이어져 간다면 미토콘드리아의 진화에 대한 정설이 도출되기는커녕 그야말로 가중되는 혼란을 정리하는 것도 어려울 것으로 보여지고 있다. 만일 미토콘드리아 진화가설이 과학적 사실이라면, 새롭게 관찰되는 연구결과를 통해서 기존 가설이 보다 구체화되거나 새로운 지류적 가설이 발전되어 나올 것이지만, 현재의 미토콘드리아 진화 가설은 새로운 관찰에 의해 얻어진 해석이 기존 가설의 기본적인 가정에서부터 의문을 제기하는 양상으로 전개되고 있는 것이다.
3. ‘유전자 전달 가설'의 고찰을 통한 미토콘드리아 진화가설의 문제점 분석
다음으로는 미토콘드리아 진화가설의 논리 전개에 있어 가장 핵심이 되는 ‘유전자 전달 가설(gene transfer hypothesis)'에 대해 살펴보도록 한다. 앞에서 언급한 바와 같이 미토콘드리아 유전체들이 “축소적 진화(reductive evolution)'를 거치기 위해서는 미토콘드리아로부터 핵으로의 유전자 이동(mitochondrion-to-nucleus gene transfer)이 일어났을 것으로 추측하고 있다. 이른바 ‘유전자 전달(이동) 가설'로 불리우는 이 가설에서도 적지 않은 논리적 문제점들을 발견하게 된다. 단순한 진핵세포인 효모(Saccharomyces cerevisiae)의 미토콘드리아가 가지는 단백질들(mitochondrial proteome)을 분석한 결과 약 630가지 단백질이 있는 것으로 추정하게 되었는데, 그 중 mitochondrial DNA가 스스로 암호화(coding)하는 단백질은 10%보다 적고, 대부분의 단백질은 nuclear DNA에 의해 만들어지는 것으로 밝혀졌다(Marcotte et al., 2000). 미토콘드리아 단백질이 대부분 nuclear DNA에 의해 암호화 된다는 사실이 ‘유전자 전달 가설'의 가장 주된 논리적 근거가 되고 있는 것이다. 그런데 nuclear genome에 의해 만들어지는 이들 단백질들의 유사성(similarity)을 조사하였더니 전체 단백질 중 50~60%는 원핵세포와 유사하고(’prokaryote-specific'), 20~30%는 진핵세포의 특성을 가지는 것들이었으며(‘eukaryotic-specific'), 약 20%는 효모에만 존재하는(’unique') 단백질들이었다 (Karlberg et al., 2000). 여기서 우리는 효모 미토콘드리아에만 존재하는, 20%를 차지하고 있는 그 고유의 단백질들의 기능이 확실치 않다는 점에서 의문을 갖게 된다. 즉, 원핵세포 유사성 단백질들은 주로 생합성(biosynthesis), 에너지 생산(bioengergetics), 및 단백질 합성에 관련된 기능을 담당하고 있고, 진핵세포 유사성 단백질은 막 구성(membrane components), 조절(regulation), 물질수송(transport) 관련 기능을 맡고 있어서 미토콘드리아의 주된 기능은 두 부류의 단백질들이 거의 수행하고 있는데, 효모 미토콘드리아에만 나타나는 고유의 단백질들은 그 기능이 아직 모호하다는 점이다. 효모 고유의 단백질이라면 유전자 이동(gene transfer)에 의해 물려받은 것이 아니라 효모 핵 스스로가 암호화하고 있는 단백질을 의미하게 되는데, 그들이 미토콘드리아 자체의 특정한 기능을 담당하지 않고 있음에도 특별히 효모의 핵 유전체가 자발적으로 암호화함으로써 미토콘드리아에게 그들을 제공하게 되었다는 것이 과연 타당한 논리일까? 물론 다른 종의 미토콘드리아 단백질 유전정보(mitochondrial proteome)에 대한 조사가 완벽히 이루어져 상호 비교가 이루어져야 보다 명확한 결론을 얻을 수 있을 것이지만, 효모의 핵 유전체 내에 효모 미토콘드리아에만 존재하는 고유의 단백질에 대한 정보가 존재한다는 사실은 ‘유전자 전달 가설’의 논리, 즉 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설의 논리를 매우 부자연스럽게 한다. 오히려 모든 진핵세포들이 박테리아의 공생으로 인해 진화된 미토콘드리아를 가지고 있다기보다는, 다른 세포 소기관과 마찬가지로 그 세포 자체가 이미 핵 유전체에서 암호화하고 기능을 부여하는 하나의 세포 소기관으로서의 미토콘드리아를 갖는다는 논리가 더 자연스럽다고 볼 수 있는 것이다.
‘유전자 전달 가설'에 따르면 미토콘드리아로부터 핵으로의 유전자 이동은 매우 점차적으로 일어난 연속적 축소과정(sequential reduction)이라고 한다. 그러한 주장의 근거로는 가장 유전자를 많이 보유함으로써 가장 초기 진화단계의 미토콘드리아를 보여주는 원생생물 R. americana의 mtDNA와 비교해 볼 때 다른 진핵세포들의 mtDNA에는 R. americana의 mtDNA가 암호화하는 단백질 또는 rRNA 유전자 집합의 일부분(subset)을 암호화하고 있다는 점이다(Gray et al., 1999). 즉 진화가 상당히 진전된 세포에서는 전자전달계(electron transport system), 즉 산화적 인산화(oxidative phosphorylation)에 관여하는 미토콘드리아 내막 단백질들(inner membrane proteins)과 ribosomal RNAs(rRNAs) 및 transfer RNA(tRNAs)에 관한 유전자만이 mtDNA를 구성하고 있고, 이보다 덜 진화된 세포는 거기에 추가적인 ribosomal protein들의 유전정보가 포함되어 있다는 것이다.
이러한 주장은 염기서열 분석이 완료된 6종류 세포의 mtDNA 유전자들을 비교함으로써 제시되었다(Gray et al., 1999). 즉 6종류 세포는 모두가 5개의 유전자를 공통적으로 가지고 있었는데 그것들은 각각 rRNA(rns, rnl), cytochrome b(cob) 및 두개의 cytochrome oxidase subunit(cox1, cox3)를 암호화하는 유전자이다. 그러나 제시된 mtDNA 중 가장 단순한 진핵세포는 Plasmodium(원생동물 일종, 말라리아 병원성 기생성 세포가 속함)으로서 mtDNA가 위의 5개 유전자만 보유하고 있고, 그 다음으로 단순한 것은 Schisaccharomyces(효모의 일종)로서 추가로 atp6, atp8, atp9, cox2, rps3 등 5개 유전자가 포함되고, 그 다음으로 인간 세포로서 atp6, atp8, cox2, nad1~6, nad4L 등 10개 유전자가 추가된다. 이어서 가시아메바(Acanthamoeba, 원생동물 일종), 우산이끼속(Marchantia, 선태식물 일종)의 순으로 mtDNA의 유전자 수가 많아지고 가장 복잡한 mtDNA가 Reclinomonas(R. americana)의 것이었다.
그런데 여기서 제시된 6종류의 세포를 살펴볼 때 mtDNA의 복잡성에 있어서 진화의 순서와 맞지 않는 불연속성을 발견하게 된다. ‘유전자 전달 가설'에서 주장하는 바와 같이 점차적이고 연속적인 mtDNA 유전자의 축소과정이 일어났다면, 당연히 가장 진화가 진전된 인간 mtDNA가 가장 적은 유전자만 보유하고 있어야 할 것이다. 하지만 제시된 비교 결과를 보면 인간 mtDNA 보다 Schizosaccharomyces 또는 Plasmonium이 더 적은 유전자를 보여줌으로써 상대적으로 유전자 이동이 많이 일어난 것으로 나타나고 있다. 이것은 미토콘드리아로부터 핵으로 유전자가 점차적으로 이동하였다는 '유전자 전달(gene transfer)'이라는 전제, 즉 세포내공생 진화가설의 기초부터 수정되어야 함을 보여주는 결과라 하겠다.
미토콘드리아의 세포내공생 진화가설의 문제점은 포유동물의 미토콘드리아 유전체에서만 나타나는 매우 특징적인 면들을 살펴보아도 명백하게 드러난다. 일찍이 인간 미토콘드리아 유전체는 핵 유전체에 비해 크기가 매우 작아서 초기의 염기서열 분석 프로젝트의 대상이 되었고, 이미 1981년에 16,569 bp의 전체 염기서열이 해독되었다. 그런데 이 염기서열과 핵, 엽록체 및 박테리아 등의 유전체 염기서열을 비교해 본 결과, 매우 흥미로운 특징들이 발견되었다. 그 중 하나는 세포의 세포질(cytosol) 이나 엽록체에서는 단백질 합성 시 30종류 이상의 tRNA가 각 아미노산을 담당하는데, 포유동물의 미토콘드리아에서는 22 tRNA만으로 단백질 합성을 수행하고 있다는 점이다(Barrell et al. 1980). 즉, 정상적인 코돈-안티코돈(codon-anticodon) 결합 규칙(pairing rule)이 포유동물의 미토콘드리아에서만은 상당히 완화됨으로써(relaxed), 하나의 tRNA가 4가지 코돈(codon) 중 어느 하나와도 짝을 이룰 수 있도록 되어 있어서 훨씬 적은 종류의 tRNA를 가지고도 단백질 합성이 가능하게 된다. 세포질이나 박테리아에서는 물론, 미토콘드리아처럼 세포내공생 진화에 의해 발생되었다고 주장되고 있는 엽록체에서의 단백질 합성과정에서도 찾아볼 수 없는 미토콘드리아만이 보여주는 이러한 특징적인 모습은 미토콘드리아가 박테리아의 공생으로부터 발생되었다는 진화가설의 논리적 설득력을 상당히 감소시키는 것이라 하지 않을 수 없다.
또 한가지 놀라운 사실은 미토콘드리아 유전체(mitochondrial genome)에서는 64개 코돈 중에서 4개의 코돈이 다른 유전체와 다른 의미를 갖는다는 점이다 (Jukes, 1983). 예를 들어 UGA 코돈은 핵, 엽록체, 박테리아 등 대부분의 단백질 합성에 있어서는 ‘stop’ 코돈이다. 그러나 포유동물, 진균, 무척추동물의 미토콘드리아에서는 이것이 트립토판(tryptophan) 아미노산을 의미하는 코돈으로 작용한다. 그리고 AGG는 보편적으로는 아르기닌(arginine) 아미노산의 코돈이지만 포유동물 미토콘드리아에서는 ‘stop’ 코돈으로, Drosophila(초파리)에서는 세린(serine)의 코돈이다(Tomita et al., 1999; Jukes and Osawa, 1993). 이렇게 미토콘드리아의 암호(code)는 보편적인 암호(universal code)와 다를 뿐 아니라, 더욱 특징적인 사실은 그러한 코돈 인식방법의 차이가 식물에서는 나타나지 않고 동물세포에서만 관찰되고 있으며, 동물세포 중에서도 생물종에 따라 서로 다르게 나타나고 있다는 점이다(다음 표 참고, Alberts et al., 2002).
AUA
AGA, AGG
CUA
isoleucine
arginine
leucine
methionine
'stop'
leucine
methionine
serine
leucine
methionine
arginine
threonine
isoleucine
arginine
leucine
이렇게 동물세포의 미토콘드리아가 생물종에 따라 각각의 독특한 코돈 인식체계를 가지고 있다는 사실로부터, 다시 한번 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설의 중심에 있는 ‘유전자 전달 가설'의 논리적 모순성을 발견하게 된다. 즉, 보다 복잡한 생물체로 진화하는 과정에서 미토콘드리아로부터 핵으로의 유전자 이동이 점차적으로 일어남으로써 미토콘드리아 유전체의 유전자가 연속적으로 적어지게 되었다면, 아직 단순한 생물체로서 진화를 앞둔 생물(예를 들면 효모, 무척추동물 등)에 있어서 이미 미토콘드리아에 형성된 차별적인 코돈 인식방법으로 특정 단백질을 암호화하는 유전자가 핵 유전체로 이동하게 된다면 그 유전자는 핵 유전체에서 과연 단백질 암호화 능력을 유지할 수 있을까? 예를 들어 효모 미토콘드리아 유전자 염기서열 중 UGA 코돈을 가지는 유전자가 핵으로 이동하면 전혀 쓸모없는 유전자가 되고 말 것이다. 그렇다면 ‘독특한 코돈 인식체계는 유전자 이동 후에 미토콘드리아에서만 일어난 돌연변이에 의해 형성될 수도 있다’라고 반론할 수도 있을 것이다. 그러나 독특한 코돈 인식체계가 식물체에서는 전혀 나타나지 않고 동물세포에서만 나타나고 있다는 점을 기억해야 한다. 식물체 내에서도 유사한 돌연변이가 얼마든지 일어날 수 있으니 식물에서도 독특한 코돈 인식체계가 나타나야 할 것이다.
또한 같은 분류체계 내(예를 들면 포유동물 내)에서도 그러한 돌연변이는 진화과정에서 계속하여 일어나는 것이 당연한 일일 것이기 때문에 독특한 인식체계는 훨씬 더 다양하게 동물 종에 따라(예를 들면 포유동물 내에서도 마우스, 소, 원숭이, 사람 등) 각각이 다른 형태로 나타나야 할 것이다. 하지만 분명하게도 식물에서는 나타나지 않으며, 동물세포는 동일 분류체계 내에서는 동일한 인식체계를 이용하고 있다.
이러한 사실들을 종합해 볼 때 미토콘드리아는 세포내공생에 의해 형성되어 진화되어 왔다는 논리보다는, 당초 세포가 기원하는 시점부터 미토콘드리아는 세포가 보유하게 된 하나의 세포 소기관으로서, 에너지 생산이라는 타 세포들에서도 나타나는 공통적인 기능을 수행하면서도 한편으로는 그 세포가 가지는 고유의 특징들을 가지고 있는 것으로 인식하는 것이 더 타당하다는 결론에 이르게 된다.
여기서 '유전자 전달 가설‘의 논리적 모순성과 관련하여 한가지 덧붙여 생각하여야 할 것은, 미토콘드리아 단백질들이 핵 유전체에 암호화되어 세포질에서 합성된 후에 미토콘드리아로 표적화(targeting)되는 과정을 면밀히 살펴볼 필요가 있다는 것이다. 진핵세포는 원핵세포와 달리 여러 세포 소기관을 가지고 있기 때문에 리보솜에서 단백질을 합성한 후에 복잡한 단백질 분류(protein sorting) 과정을 거쳐 각 단백질들을 최종 목적지에 따라 분류하여 보내게 된다. 미토콘드리아 단백질들도 세포질에 있는 자유리보솜(free ribosome)에서 합성될 때 미토콘드리아로 유입되기 위해서 반드시 필요한 신호서열(signal sequence)이 단백질의 끝부분에 함께 합성됨으로써 미토콘드리아에 의해 인식되어 유입될 수 있게 된다. 즉 특정 미토콘드리아 단백질이 세포질에서 합성될 때에는 원래의 단백질이 아니라 신호서열이 끝부분에 추가로 연결된 전구체 단백질(precursor protein)로 합성되고 미토콘드리아로 유입되는 과정에서 신호서열이 잘려 나가면서 비로소 성숙한 단백질(mature protein)이 되는 것이다. 이 유입과정에서는 세포질에 존재하는 샤페론 단백질(chaperone protein, cytosolic Hsp70, DnaJ 등)의 도움을 받아 미토콘드리아의 외막(outer membrane) 및 내막(inner membrane)에 있는 수용체(receptor)에 의해 인식되고 단백질 이동체(protein translocator)를 통해 유입되는데, 이 때 mitochondrial Hsp70이 ATP를 소모하면서 유입 모터(translocation motor)의 작용을 일으킴으로써 단백질을 끌어들이게 된다(Haucke and Schatz, 1997).
다시 말하면, 단백질 이동(protein transport) 현상은 세포질 샤프론, 미토콘드리아 막에 존재하는 수용체 및 이동체(translocator), 그리고 이동모터(translocation motor) 등의 다양한 분자장치들이 상당히 복잡한 과정을 거쳐야 가능함을 알 수 있다. 이동체만 보더라도 미토콘드리아 외막과 내막에 대해 각각 독립적으로 TOM(translocase of the outer membrane) complex(TOM5, -6, -7, -40 등 포함) 및 TIM(translocase of the inner membrane) complex(TIM11, -14, -17, -23, -33 등 포함)가 담당하고, 이동모터 역시 TIM44-mHsp70-GrpE로 결합된 complex의 형태로 작용한다는 것이 밝혀져 있다. 더욱 흥미로운 것은, 세포질의 Hsp70-DnaJ 시스템은 여러 세포소기관으로의 단백질 이동을 수행하지만, MSF(mitochondrial import-stimulation factor)라는 샤페론은 오직 미토콘드리아 단백질의 이동에만 관여한다는 사실이다.
그렇다면 핵 DNA에 의해 암호화되어 세포질에서 합성된 미토콘드리아 단백질들을 미토콘드리아로 이동시켜주는 이러한 복잡한 메커니즘과 분자장치들은 어떻게 형성될 수 있었던 것일까? 원핵세포는 진핵세포와 달리 세포 소기관이 없기 때문에 이러한 복잡한 단백질 이동과정을 거칠 필요가 없다. 즉 단백질 이동을 일으키기 위한 복잡한 분자 장치들이 필요치 않은 것이다. '유전자 전달 가설'에 따라 미토콘드리아의 진화 형성과정에서 가장 초기단계라는 R. americana의 mtDNA로부터 점차적으로 유전자들이 핵으로 이동하면서 진화가 이어져 왔다면, 이동되는 유전자들은 미토콘드리아 자체의 성숙한 단백질을 암호화하고 있었을 것이다. 그렇다면 과연 이 유전자들이 핵으로 이동한 후에 자연적인 돌연변이에 의해 스스로 미토콘드리아로 표적화(targeting)되기 위한 신호서열이 발생되도록 지혜롭게 변화하는 일이 가능한 것인가? 다른 세포소기관으로 표적화되는 돌연변이의 축적은 왜 일어나지 않았는가? 미토콘드리아로 표적화되어야 할 단백질은 한, 두 개가 아니다. 인간 미토콘드리아의 경우만 보더라도 미토콘드리아에 존재하는 수많은 단백질 중에 mtDNA가 스스로 암호화하는 단백질은 매우 한정적이어서 전자전달계(electron transport system)에 관여하는 것 밖에 없고 그나마 필요한 100가지에 가까운 단백질 중 13개만을 암호화하는 것이 전부이다. 다시 말하면 미토콘드리아가 필요로 하는 단백질의 대부분이 핵 DNA에 암호화되어 세포질에서 합성된 후 유입되고 있는 것이다. 이렇게 많은 단백질들에 대한 유전자들이 진화의 과정에서 미토콘드리아로부터 유전자 이동에 의해 핵으로 옮겨간 후 각각의 유전자에 돌연변이가 축적됨으로써 신호서열이 정확히 발현되고 그래서 어느 하나도 빠짐없이 미토콘드리아로 표적화되어 돌아오게 된다는 것은 도저히 불가능한 일이라 아니할 수 없다.
또한 이들을 이동시켜 미토콘드리아 안으로 유입시키거나 막에 삽입시키는 복잡한 분자장치는 어떠한가? 이 분자장치들은 진화 단계의 세포에도 전혀 존재하지 않았을 뿐더러, 또한 mtDNA에도 암호화되어 있지 않았던 새로운 단백질들이다. 숙주 세포 자신이 미토콘드리아로 가야 할 단백질들을 위해 제공하고 있는 이들 분자 장치들은 과연 어디서 유래한 것인가? 특히 세포질에 존재하는 여러 샤프론 단백질들 중 오직 미토콘드리아 단백질들만 특이적으로 인식하여 이동시켜주는 MSF의 존재는 무엇을 의미하는가? 더욱 이해하기 어려운 것은 미토콘드리아 외막과 내막에서 미토콘드리아 단백질들을 인식하고 유입시켜주는 수용체들과 이동효소(translocase)들이라 하겠다. 이들은 진화 초기단계의 미토콘드리아에는 존재하지 않았으므로 원래의 mtDNA에도 암호화되지 않았으면서도, 그 자신들 또한 미토콘드리아 단백질로 인식되어 미토콘드리아로 표적화되어 유입된 단백질들이다. ‘유전자 전달 가설'을 따라 유전자 이동을 받아들이려면 이동되지 않은 유전자의 발생에 대해서까지 가설을 세워야 하는 그야말로 가설 자체의 논리전개 상의 한계를 명백히 드러내고 있는 것이다.
지금까지 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설에 대한 문제점들을 고찰함에 있어, 유전체 염기서열 판독결과에 의한 진화론적 해석과 기존의 해석 간에 일어나는 논리적 갈등, 유전자 전달 가설 자체가 가지는 논리적 모순성, 포유동물의 미토콘드리아에서만 나타나는 독특한 특징들이 보여주는 반진화론적 반증들, 미토콘드리아 단백질들의 합성과 이동 메커니즘에서 나타나는 미토콘드리아 진화가설의 논리상 부적합성 등을 중심으로 살펴보았다. 1970년에 발표된 후 현재에 이르기까지 진화론적 생물학의 다각적인 지지를 받아 오면서 마치 다른 대안적 가설은 존재할 수 없을 것처럼 그 입지를 굳혀가고 있는 형상이다. 그러나 본 고찰에서 살펴본 바와 같이 무리한 논리전개와 모순성들을 지니고 있으면서도, 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설은 ‘유사성’이라는 대전제를 논리적 근거로 앞세우고 흔들림 없이 모든 새로운 발견들을 그 틀 안에 맞추어 가고 있다. 그 위세는 '유사성‘의 전제에 위배되는 현상이 관찰된다 하더라도 또 다른 가정을 도입하면서까지 그 근간을 지켜나갈 정도로 이미 진화 생물학 안에 뿌리를 깊게 내리고 있는 것이다. ‘미토콘드리아는 세포내공생에 의해 발생 진화하였다’라는 가설의 결론은 이미 불변의 사실로 못 박아 둔 채, 얻어지는 모든 실험적 데이터들은 그 결론에 합당하도록 배열되고 해석되는 연역적 논리전개 방식은 모든 분야의 진화론적 논증법과 동일하다.
하지만 분명한 것은 이러한 논리전개 방식이 관련 분야에 있어서 다양한 가설의 형성과 발전을 저해하게 된다는 것을 부인할 수 없다. 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설의 강력한 연역적 논리전개는 결국 진핵세포 내의 미토콘드리아라는 세포 소기관 고유의 ‘독립적인 구조와 기능’에 대한 연구에 장애가 되고 있다. 애초에 미토콘드리아를 가지고 존재했을 수도 있는 진핵세포에 대한 세포학적 탐구를 차단함으로써 결국 미토콘드리아가 세포 자체에 미치는 기능적 구조적 기여를 객관적으로 설명하는 것은 이미 불가능해진 상태가 되어 버렸다.
4. 미토콘드리아 리보솜 진화가설에 대한 고찰과 비판
이번에는 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설의 한 부분으로서 미토콘드리아 리보솜 (mitochondrial ribosome, mitoribosome)의 진화론적 가설에 대해 살펴보도록 하자. 포유동물의 미토콘드리아 리보솜은 미토콘드리아 내막의 안쪽(matrix)에 존재하면서 미토콘드리아 내막에서 전자전달계를 통한 산화적 인산화 과정을 일으키는 13개 단백질을 합성해내는 역할을 한다. 앞에서 언급한 바와 같이 미토콘드리아의 세포내공생 진화가설에 의하면 미토콘드리아 조상으로 가장 가까운 박테리아 종은 α-proteobacteria 중 리케치아 아문(rickettial subdivision)에 속한 박테리아인 것으로 추정하고 있다. 따라서 미토콘드리아 리보솜은 그 구조와 기능에 있어서 박테리아 리보솜과 유사할 것으로 생각되어 왔다. 그러나 실제 미토콘드리아 리보솜은 박테리아 리보솜과는 상당히 다른 모습을 보여준다. 많은 미생물학 교과서에서는 박테리아 리보솜과 미토콘드리아 리보솜이 동일하게 70S라는 침강계수를 보여주기 때문에 미토콘드리아의 세포내공생 진화를 뒷받침하는 것으로 서술하고 있지만, 그것은 잘못된 내용이다. 미토콘드리아 리보솜은 진핵세포의 종류에 따라 침강계수가 달라서 효모는 73S, 식물체에서는 78S, 포유동물에서는 55S를 나타내어 박테리아 리보솜과는 매우 다르며, 침강계수를 기준으로 본다면 진화 순서 상의 연속성과도 일치하지 않는다.
또한 포유동물의 미토콘드리아 리보솜은 침강계수는 박테리아 리보솜보다 낮지만 분자량이나 공간적인 크기는 오히려 더 크다는 사실도 염두에 두어야 한다. 박테리아 리보솜과 미토콘드리아 리보솜을 단순 비교하여 진화적 연관성을 언급하는 것은 곤란하다는 것이다. 그리고 포유동물 중에 소(bovine)의 미토콘드리아 리보솜을 예로 들어 보면, 침강계수는 55S이고 분자량은 2.83 megadalton(MDa)이며, small subunit(28S)와 large subunit(39S)로 구성되어 있다(Hamilton and O'Brien, 1974; O'Brien, 2002). 놀라운 것은, 미토콘드리아 리보솜의 rRNA 및 단백질 구성을 분석한 결과, 소의 미토콘드리아 리보솜은 박테리아 리보솜과 완전히 상반된 조성을 가지고 있다는 사실이다(O'Brien, 2002). 즉, 박테리아 리보솜은 RNA의 양이 단백질의 양보다 2배 많은데 비해, 소의 미토콘드리아 리보솜에는 오히려 단백질의 양이 RNA의 양보다 2배 많아 정반대의 구성으로 되어있다는 것이다. 이들의 구체적인 함량을 다음 표에 정리하여 비교하였다.
rRNA
Protein
Large subunit
rRNA
Protein
Protein:RNA ratio
12S (950 nt*)
29 proteins
39S
16S (1,560 nt)
48 proteins
69:31
16S (1,542 nt)
21 proteins
50S
5S (120 nt), 23S (2,904 nt)
33 proteins
33:67
1. Koc et al., 2001; O'Brien et al., 2000; Suzuki et al., 2001a, 2001b
2. Wittman-Liebold, 1985
* nucleotides
앞에서 언급한 바와 같이 모든 진화가설의 중심에는 ‘유사성’이라는 논리의 근거가 이용된다. 유전체의 염기서열과 단백질의 아미노산 서열에서 나타나는 유사성이 생물종 간의 진화적 연관성의 척도가 되고 생물종들의 진화적 분류에 있어 가장 중요한 기준이 되고 있는 것이다. 미토콘드리아 진화가설에 있어서도 박테리아(symbiont)가 원시적인 초기 진핵세포(host)와의 세포내공생에 의해 진핵세포의 미토콘드리아로 진화하였다는 논리의 중심에는 박테리아와 미토콘드리아에 존재하는 각 유전체의 염기서열과 각 단백질의 생화학적 특성들이 유사성을 보여준다는 사실을 가장 중요한 근거로 삼고 있다.
하지만 박테리아와 미토콘드리아의 리보솜이 갖는 RNA 및 단백질로부터 관찰되는 특징들은 어떠한가. 예상과는 너무나 다르게도 RNA-단백질 조성은 완벽하게 정반대의 구성을 보여주고 있는 것이다. 이러한 논리적 장벽에 부딪힌 미토콘드리아 진화가설은 현재 새로운 진화론적 논리의 돌파구를 찾기 위해 노력하고 있다. 예를 들면 미토콘드리아는 진화를 거치면서 미토콘드리아 리보솜의 단백질이 추가되거나 크기가 커지면서 점점 짧아져가는 rRNA를 기능적 및 구조적으로 보완하게 되었다는 설명이 그것이다(Suzuki et al., 2001a, 2001b; Sharma et al., 2003). 그 근거로 제시된 것은, 미토콘드리아 리보솜에서 짧아진 rRNA의 결합 부위(binding site) 근처에 있는 단백질들이 그와 대응되는 박테리아 리보솜의 단백질과 비교할 때 크기가 상대적으로 크게 나타난다는 것이다. 하지만 이러한 설명은 매우 설득력이 부족하다. rRNA 결합부위 근처의 단백질이 커지고 rRNA의 구조와 기능을 보완해준다고 해도, 미토콘드리아 리보솜의 단백질 함량 비율이 박테리아 리보솜보다 높은 이유에 대해 전혀 답이 될 수 없다는 것이다. 왜냐하면 대부분의 미토콘드리아 리보솜 단백질들(mitochondrial ribosomal proteins, MRPs)은 미토콘드리아 리보솜에서 합성하는 것이 아니라, 핵 DNA에 암호화되어있어 세포질의 리보솜에 의해 합성된 후 미토콘드리아로 유입되기 때문이다(Graack and Wittmann-Liebold, 1998). 효모의 미토콘드리아 리보솜의 경우에는, 50여종이 넘는 MRP 중, small subunit의 단백질인 var1라는 단백질 하나만 제외하고 나머지 모든 단백질이 세포질에서 합성되고 있으며, 인간, 소 등 포유동물의 미토콘드리아 리보솜의 경우에는 모든 MRP가 세포질에서 합성되고 있다. 즉, MRP의 합성에는 미토콘드리아 리보솜 rRNA가 관여하지 않으며 미토콘드리아 리보솜 rRNA의 기능이란 미토콘드리아의 전자전달계에 관련되는 13개 단백질의 합성에 국한되어 있다. 따라서 미토콘드리아 리보솜 내 rRNA 주변의 단백질이 커짐으로써 rRNA의 구조와 기능을 보완한다는 것은 미토콘드리아 리보솜 자체의 높은 단백질(MRPs) 함량과는 아무런 관계가 없는 것이다.
결국 미토콘드리아 리보솜의 단백질 대 RNA 비율이 박테리아 리보솜과 정반대라는 사실이 밝혀짐에 따라, 미토콘드리아와 박테리아를 진화론적으로 연결시키는 세포내공생 가설은 해결하기 어려운 논리적 모순성에 부딪히게 되었음을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 인간, 소, 효모(yeast), 마우스(mouse), 랫드(rat) 등의 MRP들에 대해 아미노산 서열을 비교한 결과 이들 사이에서는 유사성을 발견하기가 어려울 정도로 각각의 특징적인 서열을 보여주고 있다는 사실에 주목할 필요가 있다(Graack and Wittmann-Liebold, 1998; O'Brien et al., 2000). 진핵세포의 진화과정을 고려한다면 당연히 MRP에 대해서는 생물종 상호 간에 유사성이 존재하여야 하지만, 실제 그러한 유사성이 관찰되지 않는다는 것이다. 앞서 언급한 바와 같이 유사성이라는 기준은 진화가설에 있어서 가장 근본적인 대전제임을 상기할 때 미토콘드리아의 진화가설과는 정면으로 대립됨을 알게 된다. 이렇듯 여러 생물종들의 MRP들에 대한 연구결과들은 세포내공생 진화가설이 맞부딪힌 논리적 장벽을 더욱 극복하기 어렵게 하고 있는 것이다.
결 론
지금까지 살펴 본 미토콘드리아 리보솜의 특징들을 볼 때 오히려 미토콘드리아는 박테리아로부터 진화되었다기 보다는 각각의 고유 특성을 가지고 존재하는 다양성을 보여주고 있다고 보는 것이 더 타당함을 알 수가 있다. 기본적으로 세포 호흡과 관련되는 시스템은 생물종 전체가 동일한 원리로 운영되기 때문에 시스템을 구성하는 단백질들 및 그들을 암호화하는 유전정보는 유사할 수밖에 없다. 유사성이란 세포가 생명현상을 운영함에 있어 보편적인 원리를 채용하고 있음으로 인해 관찰되는 당연한 현상이라고 볼 수 있다. 두 생물종의 유사성 자체는 두 종을 생물학적으로 관련짓고 진화적 방향성을 부여할 수 있는 아무런 근거도 제시하지 않는다는 점에 유의하여야 한다. 오히려 각 생물종은 모든 생물의 기본보편적 생명현상에 대한 유전정보에 그 생물종 만의 특징을 표현하는 유전정보가 추가적으로 혼재하면서 한 생물종으로서의 조화로운 완성체를 이루고 있다고 볼 수 있다. 각 생물종이 가지고 있는 미토콘드리아 역시 모든 생물이 수행하는 세포 호흡, 즉 전자전달계를 통한 산화적 인산화에 의해 에너지를 생산하는 보편적인 기능을 수행함과 동시에, 각 생물종 만의 가지는 특성들을 함께 가지고 있다. 이러한 특성은 미토콘드리아의 유전체에서, 그리고 미토콘드리아의 단백질들을 암호화하는 핵 유전체에서 각 생물종에 따라 독특한 염기서열로 나타나고 있으며, 또한 미토콘드리아 리보솜의 구성과 MRP의 아미노산 서열상에서의 차별성으로 나타나고 있는 것이다.
앞서 미토콘드리아 진화가설의 문제점을 비판 고찰한 부분에서도 문제제기한 바와 같이 미토콘드리아 리보솜의 진화가설에서도 동일하게 연역적 논리전개 방식으로부터 근본적인 문제가 발생함을 알 수 있다. 생물의 진화론에서 흔히 사용되는 '상동성(homology, 상동관계)’이라는 개념이 있다. 원래 공통조상으로부터 유래되어 발생되는 염기 또는 아미노산 배열 상의 유사성을 표현하는 것이지만, 최근 생물정보학(bioinformatics) 분야에서는 단순히 ‘유사한 서열’까지도 상동성이라고 쉽게 부르고 있다. 특정 생물종 간에 나타나는 염기 또는 아미노산 서열이 상동성을 가지게 되면 그 유전체 또는 단백질은 진화론적 상관관계가 규정되면서 각각의 구조와 기능에 있어서도 상호 간의 관계를 중심으로 이해하게 되는 것이다. 하지만 그들의 구조와 기능은 유사한 부분은 물론 서로 다른 부분도 함께 가지고 있음을 우리는 잘 알고 있다. 문제는 그들을 분석함에 있어 유사한 부분을 이해의 중심에 놓고 해석하는 방식과 서로 다른 특징적 부분으로부터 논리를 세워가는 방식이 서로 다른 결론을 낳을 수 있다는 사실이다. 여기서 우리는 상동성에 집중된 해석방식으로는 특징적 부분이 가질 수 있는 구조적, 기능적 의미들을 정확하게 알아내기 어렵게 될 수 있다는 점에 보다 유념할 필요가 있다. 구조와 기능의 기원을 탐구함에 있어 유사성을 기준으로 한 진화적 방향성을 미리 전제하고 접근하는 것이 그 기원 자체에 대한 창의적 분석에 대해서는 치명적인 방해요인이 됨을 간과해서는 안 된다.
본 고찰에서는 생물종간에 나타나는 상동성을 진화론적 유사성의 표현이 아니라, 생물종 간의 기본적 생명현상에 대한 표현이며 다양성이 표현되기 위한 하나의 기반으로 이해하고 접근하는 방식을 제안한다. 특히 본 고찰에서 발견된 미토콘드리아 만이 갖는 고유의 특징들은 세포의 발전소(power plant)로서의 그 고유기능을 담당하기 위한 지적인 설계의 반증으로 인식되어야 함을 아울러 제안한다. 우리는 이 고찰에서 미토콘드리아가 박테리아와 다르고, 생물종 간에서도 서로 다른 특징을 보여주는 예들을 살펴보았다. 그리고 새롭게 관찰되는 모든 결과들이 이미 정해진 결론에 맞도록 해석되어지고, 그 결론에 맞지 않는 결과에 대해서는 새로운 가정을 도입하면서까지 동일한 결론으로 귀결시키려 노력하는 논쟁들이 있음도 볼 수 있었다. 이는 가히 미토콘드리아 및 미토콘드리아 리보솜 진화가설이 가지는 열렬한 신앙적 단면이라 아니할 수 없다.
미토콘드리아는 진정한 과학의 영역으로 되돌아와야 한다. 박테리아로부터의 진화라는 정해 놓은 결론의 굴레를 벗겨주고, 더 이상 ‘그렇지 않은’ 기원론 속에 갇혀있지 않도록 이제는 미토콘드리아를 과학의 냉철함으로 바라보아야 할 것이다. 모든 과학적 능력과 데이터들은 미토콘드리아를 보다 객관적이고 창의적으로 탐구하는데 집중되도록 쓰여야 한다. 그렇게 해야만 생물계가 가지고 태어난 신비하고 아름다운 세포소기관으로의 미토콘드리아가 비로소 그 본래의 존재 의미를 되찾게 될 것이며, 우리에게 그 놀라운 자태를 속속 드러내게 될 것이기 때문이다.
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Abstract
How mitochondria originated and have evolved is the closely connected issue to recent debates on the eukaryotic cell evolution. As a favored model for explaining the generation of mitochondria, the endosymbiotic evolution theory is defining events in the evolutionary process. If we focus only on a few similar figures of bacteria and mitochondria, it seems like a just-so story. Many molecular and cell biological facts, however, strongly suggest that the evolutionary endosymbiosis cannot give any possibility of generation of mitochondria. Genome sequence data, pattern of mitochondrial codon recognition, features of mitochondrial protein import system show that the endosymbiosis theory is so baseless in scientific aspects. Several features of mitochondria rather indicate that the amazing organelle exists as an intentionally designed component in cells. Considering the mitochondria as a designed organelle, not an evolved one, for eukaryotic cells will be essential for a full understanding of the origin of cell.
Key words : Mitochondria, mitochondrial ribosome, endosymbiosis, evolution, intelligent design.
(본 논문은 통합연구 제18권 2호 (통권45호) 에 실린 내용입니다.)
구분 - 3
옛 주소 - http://www.kacr.or.kr/library/itemview.asp?no=3247
참고 :