화석명 : Brittle star & carpoid
학명 : Ophuroides sp.(Brittle star) & Undetermined sp.(carpoid)
지층 : Katoua Fm.
원산지 : Mecissi area, Morocco
시대 : 고생대(Ordovician)
Size : 26cm * 13cm

몸의 대칭성을 조절하는 유전자

외형적으로 우리는 대칭적인 모습을 하고 있다. 2개의 눈, 2개의 귀, 2개의 팔, 2개의 다리는 모두 하나씩 몸의 양쪽에 위치하고 있다. 코와 입의 경우에는 몸의 가운데에 위치하고 있다. 내면적으로는 다르다. 심장은 왼쪽에 위치하고 있으며, 간은 오른쪽에 위치하고 있다. 대부분의 내장들은 비대칭적으로 위치하고 있으며, 설령 가운데에 위치하고 있더라도 비대칭적인 구조를 하고 있다.

이러한 비대칭성을 만드는 원인은 무엇인가? 더 근본적으로 외형은 대칭적이고, 내면은 비대칭적인 이유는 무엇인가? 이러한 질문의 해답은 내장들의 위치가 정상적인 상태와는 다른 situs inversus viscerum 상태에 대한 연구를 통해서 얻을 수 있다. 캘리포니아, Salk Institute의 주안 카를로스 이즈피수아 벨몬트는 Pitx2 유전자를 동정하였으며, 이 결과를 1998년 8월 6일자 Nature에 발표하였다. Pitx2는 발생 초기에 내면의 비대칭성을 일으키는 과정에서 핵심적인 역할을 하고 있다.

일부 사람들은 'dextrocardia' 상태에 있다. 즉, 심장이 왼쪽이 아닌 오른쪽에 위치해 있다. 이 경우에 다른 내장들은 정상인 사람들과는 거울상의 위치를 하고 있다. 한 예로 간은 오른쪽이 아닌 왼쪽에 위치하고 있다. 이러한 상태는 사람에게 전혀 영향을 나타내지 않기 때문에 의사가 청진기로 진찰하기 전에는 본인도 모르고 있다. 내장이 모두 거울상의 위치를 하고 있는 경우에는 나쁜 영향은 거의 없다. 심지어 일부 장기들의 위치가 다르다고 하더라도 다른 장기들과 서로 상호 작용을 잘하며, 정상적인 기능을 유지한다.

가장 문제가 되는 것은 내장이 일정하게 배열되는 것이 아니라, 임의적으로 위치하고 있는 경우이다. 이 경우에는 내장들 사이의 연결에 문제가 생기게 된다. 이러한 상태(situs ambiguus)의 사람들은 몸 가운데에 간이 위치하거나, 지라가 없으며, 복잡한 심장 결함을 가지고 있다. 장기의 위치는 샴 쌍둥이(신체 일부가 결합되어 있는 쌍둥이)와 연관된 문제이기도 하다. 장기의 위치는 유전에 의해서 전달되기도 한다. 이러한 이유로 연구가들은 비대칭성을 조절하는 유전자를 찾으려고 시도해왔다.

만일 이 유전자에 돌연변이가 생기게 되면 장기의 위치가 바뀌게 된다. 대칭성에 관여하는 유전자들은 이미 동정되었다. 이들 유전자들은 순차적으로 작용하는 일련의 과정을 통해서 대칭성을 만들어내는 것으로 생각되고 있다. 지금까지 밝혀진 대부분의 유전자들은 발생 초기에 작용을 하며, 심지어 발생 과정에서 비대칭성이 생기기 이전에 작용이 이루어지는 것으로 생각되고 있다. 이는 아직도 대칭성에 관여하는 더 많은 유전자들이 밝혀지지 않고 있다는 것을 의미한다. Pitx2 유전자도 이러한 유전자 중에 하나인 것으로 생각된다. Pitx2는 대칭성을 조절하는 다른 유전자들을 조절할 뿐만 아니라, 비대칭성의 형성과 유지에도 관여하는 것으로 생각된다.

닭의 경우에 Pitx2 유전자는 몸의 왼쪽에 위치하는 장기들로 분화되어 가는 조직에서만 발현된다. 일단 비대칭성이 생긴 후에는 몸의 외형을 이루는 조직들에서 대칭적으로 발현된다. 생쥐, 개구리와 같은 실험 동물에서도 이와 비슷한 현상이 나타났으며, 사람의 경우에도 동일할 것으로 생각된다. 연구가들은 Pitx2가 nodal, sonic hedgehog와 같은 대칭성에 관여하는 유전자를 조절한다는 것과 좌우 비대칭을 조절하는 유전자라는 사실을 알아내었다. 더욱이, Pitx2 유전자는 척추 동물에서 동일한 역할을 담당하고 있기 때문에 이 과정이 진화상으로 엄격하게 보존되어 왔다는 것으로 보여주고 있다.

이러한 연구 결과는 새로운 질문을 생기게 한다. 외형은 대칭적이지만, 내면이 비대칭적인 이유는 무엇인가? 모두 대칭적이면 더 간단하지 않을까? 만일 모든 것이 대칭적이라면 비대칭성을 만들기 위한 유전자가 필요 없을 뿐만 아니라 내부의 장기들을 상호 조절하기 위한 유전자들도 필요 없을 지도 모른다. 만일 완벽하게 비대칭성을 조절할 수 있다면 외면이 비대칭적이지 않은 이유는 무엇인가? 진화 생물학자들은 외부의 비대칭성을 유전적인 우수성을 판단하는 수단으로 생각하고 있다.

동물들은 외모의 대칭성을 바탕으로 배우자를 선택하는 것으로 생각되고 있다. 대칭성을 정확히 유지하는 것은 발생 과정에서 유전자들의 조절이 정확히 이루어졌다는 것을 의미하기 때문이다. 다음 세대에 자신의 유전자가 많이 전파되기를 바라는 동물들은 유전적으로 건강한 상대를 배우자로 선택한다. 대칭성이 정확히 이루어진 경우에는 유전적으로 더 건강하다는 것을 의미하며, 더 튼튼한 2세를 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 한 예로 제비는 한 쌍의 꼬리 길이가 서로 비슷한 상대를 배우자로 선호한다.

이러한 이론은 사람에게도 적용된다. 대칭성은 호감, 미, 건강 등의 상징으로 생각되고 있다. 일반적으로 멜로드라마의 악인들은 애꾸눈, 외다리와 같은 비대칭성을 이용하여 악한 분위기를 연출한다. 그러나, 1994년 네이쳐의 '대칭성, 미 그리고 진화'라는 제목의 기사에서 스웨덴 스톡홀름 대학교의 마그너스 엔키스트와 앤토니 애럭은 대칭적인 것은 비대칭적인 것보다 다양한 각도에서 쉽게 인식될 수 있기 때문에 진화적으로 대칭성이 선호 받는다고 제안하였다. 사람의 뇌는 대칭적인 것을 특별한 것으로 인식하기 때문에 예술 분야만이 아니라 배우자 선택에서 있어서도 대칭적인 것이 이용된다.

이는 외형의 모습이 대칭적인 이유에 대한 설명이 될 수 있다. 내면의 경우에는 눈으로 볼 수 없기 때문에 내면에서 일어나는 것은 덜 중요하다. 내장의 배열에 있어서 기능이 미적인 것에 우선하기 때문에 가장 효과적이고, 효율적인 방법으로 내장이 비대칭적으로 배열된 것으로 생각된다. 그러나, 내장의 비대칭성에는 더 중요한 이유가 있다. 영국의 고고학자 리차드 제프리의 말에 따르면 척추 동물에서 비대칭성이 엄격하게 조절된 것은 대칭성이 깨지면서 시작되었다고 한다. 이러한 불행은 6억년전에 해저에서 서식했던 한 생명체에서 시작되었다.

대칭적으로 생겼던 이 생물이 척추동물의 조상이다. 척추 동물의 진화 과정에서 대칭성을 부분적으로 회복할 수 있었다. 대칭적인 외모와 비대칭적인 내면은 지난 5억년간의 유산이다. 지난 30년동안 제프리는 carpoid라는 멸종 생물에 대해서 연구하고 있다. 수 센티미터 길이의 이 동물 화석은 가시가 많은 꼬리와 물방울 모양의 머리를 가지고 있었으며, 약간의 가시를 가지고 있었다. carpoid는 불가사리와 같은 극피 동물에서 발견되는 껍질을 가지고 있다.

제프리는 carpoid가 극피동물과 척추동물의 공동 조상인 것으로 생각하고 있다. 극피동물과 척추동물의 발생 과정은 다른 동물에서는 발견되지 않는 부분들을 포함하고 있기 때문에 특이한 생각은 아니다. 중요한 것은 carpoid는 내면과 외면이 완전히 비대칭적이었다는 점에서 다른 동물과 다르다는 것이다. 제프리는 이러한 비대칭성을 다른 관점에서 생각하고 있다. 제프리는 극피동물과 척추동물은 대칭적인 형태의 생물에서 진화하였다는 것이다. 이 대칭적인 생물은 모르는 이유로 인하여 오른손 방향의 모든 구조가 억제되었다.

이 생물체는 완전히 비대칭적인 모습을 하고 있는 것은 아니었으며, 다만 왼손 방향의 구조가 오른손 방향의 구조보다 발달되어 있었다. 이 생물체의 후손이 carproid이며, carproid는 왼손 방향의 생물체에서 완전히 비대칭적인 생물체가 되었다. 대칭성을 잃어버리는 과정에서 내장의 위치도 비대칭적으로 되었으며, 이러한 비대칭성을 척추동물이 지금까지 유지하고 있다는 것이 제프리의 생각이다.

[출처 : http://www.nature.com/science/ : 1998년 08월 06일]