네안데르탈인 게놈 분석·데니소바인 발견…'원시게놈학' 탄생

진화 생물학자로 '잃어버린 게놈을 찾아서'의 저자로 알려져

사진 노벨위원회

올해 노벨 생리의학상는 스웨덴 출신 진화 생물학자 스반테 페보 박사(67)에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 3일(현지시간) 멸종한 호미닌(인간의 조상 종족)과 인간의 진화에 관한 비밀이 담긴 게놈(유전체)에 관해 중요한 발견을 한 페보 박사를 올해 노벨 생리의학상 수상자로 선정했다고 밝혔다.

왕립과학원은 페보 박사가 불가능해 보이던 네안데르탈인의 게놈 염기서열을 분석하는 선구적 연구 업적을 남겼으며 이전까지 알려지지 않았던 호미닌인 데니소바인을 발견했다고 설명했다.

특기 현생인류인 호모 사피엔스가 발생지인 아프리카를 떠나 세계 곳곳으로 이주하면서 당시 각 지역에 살던 호미닌과 만나고 이들 사이에 유전자 교환이 있었다는 사실을 발견한 것은 중요한 성과로 평가된다.

왕립과학원은 이어 페보 박사의 이 같은 중요한 연구 성과는 '원시게놈학'(paleogenomics)이라는 새로운 과학 분야의 탄생으로 이어졌다고 의미를 부여했다.

스반테 페보는 네안데르탈인과 호모 사피엔스의 가장 최근의 공통 조상이 80만 년 전에 살았다는 것도 알아냈고  '잃어버린 게놈을 찾아서'의 저자로 알려져 있으며, 네안데르탈인 유전자 분석으로 유명하다. 페보 박사는 지난해 국내에서 출판된 '잃어버린 게놈을 찾아서'의 저자이기도 하다.

 3일 노벨 생리의학상 발표 시작으로 4일 물리학상, 5일 화학상, 6일 문학상, 7일 평화상, 10일 경제학상 순으로 발표된다. 수상자들에게는 노벨상 메달 및 증서와 함께 상금 1천만 스웨덴 크로나(약 13억원)가 수상 업적에 대한 기여도에 따라 나누어 수여된다.

시상식은 노벨의 기일인 12월 10일이 들어 있는 '노벨 주간'에 스웨덴 스톡홀름(생리의학·물리·화학·경제·문학상)과 노르웨이 오슬로(평화상)에서 열리며, 올해는 코로나19로 시상식이 축소되거나 온라인으로 열린 2020년과 2021년 수상자까지 한자리에 모인다.

이정희 기자 

사진 노벨위원회

<해설> 

성용길 동국대학교 명예교수 / 한국노벨과학문화연구원장 

선구적인 연구를 통해 스반테 페보(Svante Pääbo)는 현재 인간의 멸종된 친척인 네안데르탈인의 게놈 시퀀싱이라는 불가능해 보이는 일을 해냈다. 또한 그는 이전에 알려지지 않은 호미닌인 데니소바(Denisova)의 놀라운 발견을 했다. 중요하게도, Pääbo는 약 70,000년 전 아프리카에서 이주한 후 현재 멸종된 이 호미닌에서 호모 사피엔스로 유전자 이동이 발생했음을 발견했다. 오늘날 인간에 대한 이 고대의 유전자 흐름은 오늘날 우리의 면역체계가 감염에 반응하는 방식에 영향을 미치는 생리학과 관련성이 있다는 것을 입증하였다.

인류는 항상 그 기원에 흥미를 느껴 왔다. 우리는 어디에서 왔으며, 우리보다 먼저 온 사람들과 어떤 관계가 있는가? 우리 호모 사피엔스가 다른 호미닌과 다른 점은 무엇인가?

Svante Pääbo는 선구적인 연구를 통해 현재 인간의 멸종된 친척인 네안데르탈인의 게놈 시퀀싱이라는 불가능해 보이는 일을 해냈다. 그는 또한 이전에 알려지지 않은 호미닌인 데니소바(Denisova)의 놀라운 발견을 했다. 중요하게도, Pääbo는 약 70,000년 전 아프리카에서 이주한 후 현재 멸종된 이 호미닌에서 호모 사피엔스로 유전자 이동이 발생했음을 발견했다. 오늘날 인간에 대한 이 고대의 유전자 흐름은 오늘날 우리의 면역체계가 감염에 반응하는 방식에 영향을 미치는 생리학적 관련성이 있다.

Pääbo의 획기적인 이 연구는 완전히 새로운 과학 분야를 탄생시켰다.

고생물학. 모든 살아있는 인간을 멸종된 호미닌과 구별하는 유전적 차이를 밝혀냄으로써, 그의 발견은 무엇이 우리를 인간답게 만드는지를 탐구하는 기초를 제공하고 있다.

우리는 어디에서 왔는가?

우리의 기원과 무엇이 우리를 독특하게 만드는가에 대한 질문은 고대로부터 인류와 관련되어 왔다. 고생물학과 고고학은 인간진화 연구에 중요하다. 이 연구에 따르면 해부학적으로 현생 인류인 호모 사피엔스는 약 300,000년 전에 아프리카에 처음 나타났으며, 가장 가까운 친척인 네안데르탈인은 아프리카 외부에서 발달하여 약 400,000년에서 30,000년 전에 유럽과 서아시아에 거주했다고 한다. 그들은 멸종되었다. 약 70,000년 전, 호모 사피엔스 그룹은 아프리카에서 중동으로 이주했으며, 그곳에서 나머지 세계로 퍼졌다고 한다. 따라서 호모 사피엔스와 네안데르탈인은 수만 년 동안 유라시아의 넓은 지역에서 공존해왔다. 그러나 멸종된 네안데르탈인과의 관계에 대해 무엇을 알고 있나? 단서는 게놈 정보에서 파생될 수 있다. 1990년대 말에는 거의 전체 인간 게놈의 염기서열이 분석되었다. 이것은 다른 인간 집단 사이의 유전적 관계에 대한 후속 연구를 가능하게 한 상당한 성과였다. 그러나 현재의 인간과 멸종된 네안데르탈인의 관계에 대한 연구는 고대 표본에서 회수된 게놈 DNA의 시퀀싱이 필요하다.

불가능해 보이는 작업

Svante Pääbo는 경력 초기에 현대 유전 방법을 사용하여 네안데르탈인의 DNA를 연구할 가능성에 매료되었었다. 그러나 그는 시간이 지남에 따라 DNA가 화학적으로 변형되어 짧은 조각으로 분해되기 때문에 극도의 기술적 문제를 곧 깨달았다. 수천 년이 지난 후에는 미량의 DNA만 남게 되었고, 남은 것은 박테리아와 현대인의 DNA로 대량으로 오염되었다[그림 1]. 진화생물학 분야의 선구자인 앨런 윌슨(Allan Wilson)의 박사 후 과정 학생인 Pääbo는 수십 년에 걸친 노력으로 네안데르탈인의 DNA를 연구하는 방법을 개발하기 시작했다.

[그림 1] DNA는 세포 두 개의 다른 구획에 국한되어 있다. 핵 DNA는 대부분의 유전 정보를 담고 있는 반면 훨씬 작은 미토콘드리아 게놈은 수천 개의 사본으로 존재한다. 사망 후 DNA는 시간이 지남에 따라 분해되어 궁극적으로 소량만 남게 된다. 또한 예를 들어 DNA로 오염된다. 박테리아와 현대인 사이의 관계(예시).

1990년에 Pääbo는 뮌헨대학교에 채용되어 새로 임명된 교수로서 고대 DNA에 대한 연구를 계속했다. 그는 네안데르탈인 미토콘드리아의 DNA를 분석하기로 결정했다. 미토콘드리아 게놈은 작고 세포에 있는 유전 정보의 일부만 포함하지만 수천 개의 사본으로 존재하여 성공 가능성을 높였다. 그의 세련된 연구방법으로 Pääbo는 40,000년 된 뼈 조각에서 미토콘드리아 DNA 영역을 시퀀싱 할 수 있었다. 따라서 처음으로 우리는 멸종된 친척의 서열에 접근할 수 있었다. 현대인 및 침팬지와의 비교는 네안데르탈인이 유전적으로 구별된다는 것을 보여주었다.

네안데르탈인 게놈 시퀀싱

작은 미토콘드리아 게놈에 대한 분석이 제한된 정보만을 제공함에 따라 Pääbo는 이제 네안데르탈인의 핵 게놈을 시퀀싱하는 엄청난 도전에 착수했다. 이때 독일 라이프치히에 막스 플랑크 연구소를 설립할 기회가 주어졌다. 새로운 연구소에서 Pääbo와 그의 팀은 고대 뼈 유적에서 DNA를 분리하고 분석하는 방법을 꾸준히 개선했다. 이 연구팀은 새로운 기술개발을 활용하여 DNA 시퀀싱을 매우 효율적으로 만들었다. Pääbo는 또한 집단 유전학 및 고급 염기서열 분석에 대한 전문지식을 갖춘 여러 중요한 협력자들과 협력했다. 그의 노력은 성공적이었다. Pääbo는 불가능해 보이는 일을 드디어 해냈고, 2010년에 최초의 네안데르탈인 게놈 서열을 발표할 수 있었다. 그 비교분석에 따르면 네안데르탈인과 호모 사피엔스의 가장 최근 공통 조상은 약 800,000년 전에 살았다고 한다.

[그림 2]. A. Pääbo는 멸종된 호미닌의 뼈 표본에서 DNA를 추출했다. 그는 먼저 네안데르탈인에게 이름을 준 독일의 네안데르탈인에게서 뼈 조각을 얻었다. 나중에 그는 데니소바인에게 이름을 붙인 곳인 남부 시베리아의 데니소바 동굴에서 나온 손가락 뼈를 사용했다. B. 호모 사피엔스와 멸종된 호미닌의 진화와 관계를 보여주는 계통수. 계통수는 또한 Pääbo가 발견한 유전자 흐름을 보여준다.

Pääbo와 그의 공동연구자들은 이제 네안데르탈인과 세계 여러 지역의 현대인 사이의 관계를 조사할 수 있었다. 비교분석에 따르면 네안데르탈인의 DNA 염기서열은 아프리카에서 유래한 현대인보다 유럽이나 아시아에서 유래한 현대인의 염기서열과 더 유사했다. 이것은 네안데르탈인과 호모 사피엔스가 수천 년 동안 공존하면서 교배했음을 의미한다.

유럽 ​​또는 아시아 혈통을 가진 현대 인간의 경우, 게놈의 약 1-4%가 네안데르탈인에서 유래한다[그림 2].

놀라운 발견: 데니소바(Denisova)

2008년에는 시베리아 남부 데니소바 동굴에서 4만 년 전 손가락 뼈 조각이 발견됐다. 뼈에는 Pääbo의 팀이 시퀀싱한 매우 잘 보존된 DNA가 포함되어 있었다. 그 결과는 센세이션을 일으켰다. DNA 염기서열은 네안데르탈인과 현생 인류의 알려진 모든 염기서열과 비교할 때 독특했다. 파보는 이전에 알려지지 않은 호미닌을 발견했는데, 데니소바라는 이름을 붙었다. 세계 여러 지역에서 온 현대인의 염기서열을 비교한 결과 데니소바와 호모 사피엔스 사이에서도 유전자 흐름이 발생했음이 밝혀졌다. 이 관계는 개인이 최대 6%의 데니소바 DNA를 보유하는 멜라네시아 및 기타 동남아시아 지역의 인구에서 처음으로 나타났다.

파보의 발견은 우리의 진화 역사에 대한 새로운 이해를 불러일으켰다. 호모 사피엔스가 아프리카에서 이주했을 때 적어도 두 개의 멸종된 호미닌 개체군이 유라시아에 거주했다고 한다. 네안데르탈인은 유라시아 서부에 살았고 데니소바인은 대륙 동부에 거주했다. 호모 사피엔스가 아프리카 밖으로 확장되고, 동쪽으로 이동하는 동안 그들은 네안데르탈인뿐만 아니라 데니소바인과도 만나 교배했다[그림 3].

고생유전체학과 그 관련성

획기적인 연구를 통해 Svante Pääbo는 완전히 새로운 과학 분야인 고유전체학을 확립했다. 초기 발견에 이어, 그의 그룹은 멸종된 호미닌의 몇 가지 추가 게놈 서열 분석을 완료했다. Pääbo의 발견은 인간의 진화와 이주를 더 잘 이해하기 위해 과학계에서 광범위하게 활용하는 고유한 자원을 확립했다. 서열 분석을 위한 새롭고 강력한 방법은 고대 호미닌이 아프리카의 호모 사피엔스와도 혼합되었을 수 있음을 나타낸다. 그러나 아프리카에서 멸종된 호미닌의 게놈은 열대 기후에서 고대 DNA의 가속화된 분해로 인해 아직 시퀀싱 되지 않았다.

Svante Pääbo의 그 발견 덕분에 우리는 멸종된 친척의 고대 유전자 서열이 오늘날 인간의 생리학에 영향을 미친다는 것을 이해하게 되었다. 그러한 예 중 하나는 EPAS1 유전자의 데니소바인 버전으로, 높은 고도에서 생존할 수 있는 이점을 제공하였고, 오늘날의 티베트인에게 일반적으로 인식되고 있다. 다른 예는 다양한 유형의 감염에 대한 면역 반응에 영향을 미치는 네안데르탈인 유전자이다.

[그림 3]. Pääbo의 발견은 호모 사피엔스가 아프리카에서 이주하여 나머지 세계로 퍼졌을 때 세계에 어떻게 인구가 있었는지에 대한 중요한 정보를 제공했다. 네안데르탈인은 유라시아 대륙의 서쪽에, 데니소바인은 동쪽에 살았다고 한다. 호모 사피엔스가 대륙 전역에 퍼져 우리 DNA에 흔적이 남을 때 이종 교배가 이루어 졌다고 한다.

무엇이 우리를 인간답게 만드는가?

호모 사피엔스는 복잡한 문화, 진보된 혁신 및 조형 예술을 창조하는 독특한 능력뿐만 아니라 열린 물을 건너 지구 모든 지역으로 퍼질 수 있는 능력이 특징이다[그림 4]. 네안데르탈인도 무리를 지어 살았고 뇌가 컸졌다[그림 4]. 그들은 또한 도구를 사용했지만, 수십만 년 동안 거의 개발되지 않았었다. 호모 사피엔스와 우리의 가장 가까운 멸종된 친척 사이의 유전적 차이는 파보의 획기적인 연구를 통해 확인될 때까지 알려지지 않았다. 집중적으로 진행 중인 연구는 무엇이 우리를 독특하게 만드는지 설명하는 궁극적인 목표와 함께 이러한 차이점의 기능적 의미를 분석하는 데 중점을 두고 있다.

[그림 4]. 파보의 독창적인 작업은 무엇이 우리를 인간답게 만드는지를 설명하는

연합뉴스 제공

스반테 페보 (Svante Pääbo)

Svante Pääbo는 1955년 스웨덴 스톡홀름에서 태어났다. 그는 1986년 웁살라대학교에서 박사학위 논문을 발표했으며, 스위스 취리히대학교와 미국 버클리 캘리포니아 대학교에서 박사후 연구원으로 재직했다. 그는 1990년에 독일 뮌헨대학교의 교수가 되었다. 1999년에 그는 독일 라이프치히에 막스 플랑크 진화인류학 연구소를 설립하여 꾸준히 활동하여왔다. 또한 그는 일본 오키나와 과학기술연구소의 겸임 교수로 재직하고 있다. 스반테 페보는 스웨덴의 유전학자로 주요 연구 분야는 진화유전학이다. 고유전학의 창설자 가운데 한 사람으로 평가받고 있으며, 네안데르탈인 게놈을 최초로 해독하였다. 1997년부터 막스 플랑크 연구소의 진화인류학분과 책임자로 근무하고 있다.

출생: 1955년 4월 20일 (67세), 스웨덴 스톡홀름

국적: 스웨덴

학력: 웁살라대학교 졸업

유명한 제자: 비비안 슬롱, 앨런 J. 쿠퍼

수상: Princess of Asturias Award for Technical & Scientific

Research 외, 노벨생리의학상 수상(2022).

부모: 수네 베리스트룀, 카린 파보

저서: 잃어버린 게놈을 찾아서(2014년); 재판(2015년).

주요 간행물 :

KringsM, Stone A, Schmitz RW,KrainitzkiH,StonekingM,PääboS. Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans.Cell. 1997:90:19-30.

Green RE, Krause J, Briggs AW, Maricic T, Stenzel U, Kircher M, Patterson N, Li H, Zhai W, Fritz MH, Hansen NF, Durand EY, Malaspinas AS, Jensen JD, Marques-Bonet T, Alkan C, Prüfer K, Meyer M, Burbano HA, Good JM, Schultz R, Aximu-Petri A, Butthof A, Höber B, Höffner B, Siegemund M, Weihmann A, Nusbaum C, Lander ES, Russ C, Novod N, Affourtit J, Egholm M, Verna C, Rudan P, Brajkovic D, Kucan Ž, Gušic I, Doronichev VB, Golovanova LV, Lalueza-Fox C, de la Rasilla M, Fortea J, Rosas A, Schmitz RW, Johnson PLF, Eichler EE, Falush D, Birney E, Mullikin JC, Slatkin M, Nielsen R, Kelso J, Lachmann M, Reich D,Pääbo S. A draft sequence of the Neandertal genome.Science. 2010:328:710-722.

Krause J, Fu Q, Good JM, Viola B,ShunkovMV,DereviankoAP,PääboS. The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia.Nature. 2010:464:894-897.

Reich D, Green RE, Kircher M, Krause J, Patterson N, Durand EY, Viola B, Briggs AW, Stenzel U, Johnson PL, Maricic T, Good JM, Marques-Bonet T, Alkan C, Fu Q, Mallick S, Li H, Meyer M, Eichler EE, Stoneking M, Richards M, Talamo S, Shunkov MV, Derevianko AP, Hublin JJ, Kelso J, Slatkin M,Pääbo S. Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia.Nature. 2010:468:1053-1060.

Meyer M, Kircher M, Gansauge MT, Li H, Racimo F, Mallick S, Schraiber JG, Jay F, Prüfer K, de Filippo C, Sudmant PH, Alkan C, Fu Q, Do R, Rohland N, Tandon A, Siebauer M, Green RE, Bryc K, Briggs AW, Stenzel U, Dabney J, Shendure J, Kitzman J, Hammer MF, Shunkov MV, Derevianko AP, Patterson N, Andrés AM, Eichler EE, Slatkin M, Reich D, Kelso J,Pääbo S.A high-coverage genome sequence from an archaic Denisovan individual.Science. 2012:338:222-226.

Prüfer K, Racimo F, Patterson N, Jay F, Sankararaman S, Sawyer S, Heinze A, Renaud G, Sudmant PH, de FilippoC, Li H, Mallick S, Dannemann M, Fu Q, Kircher M, Kuhlwilm M, Lachmann M, Meyer M, Ongyerth M, Siebauer M, Theunert C, Tandon A, Moorjani P, Pickrell J, Mullikin JC, Vohr SH, Green RE, Hellmann I, Johnson PL, Blanche H, Cann H, Kitzman JO, Shendure J, Eichler EE, Lein ES, Bakken TE, Golovanova LV, Doronichev VB, Shunkov MV, Derevianko AP, Viola B, Slatkin M, Reich D, Kelso J,Pääbo S. The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains.Nature. 2014:505:43-49.

참고문헌:

1. MLA style: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2022. NobelPrize.org.

2. Nobel Prize Outreach AB 2022. Mon. 3 Oct 2022.

3. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2022/summary/

4. Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2022