모든 진핵생물의 공통조상 LECA의 기원, 미토콘드리아는 언제 들어왔는가?

[문형철]

왼쪽 → 오른쪽 시간 순서

1. Pre-ancestral Asgard
단순한 고세균. 아직 “진핵처럼” 보이지 않음.

2. 고세균–세균 컨소시엄
여러 세균과 붙어 삶(syntrophy). 이미 세균 유전자가 조금씩 들어올 수 있는 환경.

3. FECA (첫 진핵공통조상 쪽으로 가는 Asgard)

• 가지 친 세포골격이 생김
• 세포가 커지고 형태가 복잡해짐

4. 원시 내막 형성 + 공생체 포획
고세균형 막(파란 쪽)을 아직 가진 상태에서, 알파프로테오박테리아를 안으로 들임.
이때부터 그림 배경이 파랑(고세균 진화)에서 갈색(원진핵 + 내공생)으로 바뀝니다.

5. 세균형 막으로 전환, 원시 핵
막 화학이 세균 스타일로 바뀌고, DNA를 가두는 공간이 생김.
안에는 이미 공생체(나중에 미토콘드리아).

6. 내막계가 발달하고 핵이 지금의 형태로
소포체·골지 같은 내부 막이 늘고, 핵이 정돈됨.

7. LECA
미토콘드리아가 있는 모든 진핵생물의 공통 조상.

가운데 넓은 보라 띠 Influx of bacterial genes:
처음부터 끝까지, 여러 세균에서 유전자가 조금씩, 여러 차례 들어옴.
한 번의 두 번째 대형 합병이 아니라 조각난 유입입니다.

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색의 의미

• 넓은 연파랑 영역: 진핵 유전자의 주류는 Asgard에서 이어짐.
• 연갈색 영역: 알파프로테오박테리아 내공생 이후의 원진핵 진화.
• 보라 화살: 세균 유전자의 소규모·산발적 보강.

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쉬운 한 줄

고세균이 뼈대와 방을 짓고 → 세균 발전기를 삼키고 → 막을 세균식으로 바꾸고 핵을 갖추며 → 여기저기서 부품을 더 받아 LECA가 된다.

진핵생물은

Asgard 계열 고세균 숙주 + alphaproteobacteria 내공생으로 설명되지만,

중간 단계는 현생 계통에 남지 않고

미토콘드리아 정착에는 직접 날짜를 찍을 수 있는 노드가 없습니다.

대신 LECA(마지막 진핵공통조상) 이전

유전자 중복(pre-LECA gene duplications)의 시각 분포가 세포 조립 순서를 알려 줍니다.

많은 진핵 특이 과정이 이 중복에서 나온 유전자에 의존합니다.

방법

완화 분자시계(relaxed molecular clock, MCMCTree 등)로 pre-LECA 중복을 연대 측정.

추정 타임라인 (Ga = 10억 년 전)

• nFECA(핵/숙주 계통이 고세균 친척과 갈라진 시점): 약 3.05–2.79 Ga
• 숙주가 이미 갖춘 진핵 유사 특징(세포골격, 막 수송·내막계, 식작용 기구, 핵 또는 proto-nucleus, 최소한 전사와 번역의 공간적 분리): 약 3.0–2.25 Ga — 미토콘드리아보다 앞
• mFECA / 미토콘드리아 내공생: 약 2.37–2.13 Ga, Great Oxidation Event(GOE, ~2.4 Ga) 직후. 당시 원생대 바다는 여전히 대부분 무산소.
• LECA 방사: 약 1.80–1.67 Ga

알파프로테오박테리아 기원 중복 중 미토콘드리아 preprotein import 관련 예: TIM14/PAM16 ~2.24–1.99 Ga, PMPCA/PMPCB ~2.16–1.94 Ga, TIM44/MRPL45 ~2.22–2.00 Ga. 공생이 약 2.2 Ga경에는 이미 진행 중이었을 가능성을 시사합니다.

결론

• 미토콘드리아-early 시나리오를 기각하고, 이미 복잡해진 고세균 숙주 + 늦은 미토콘드리아 순서를 지지합니다.
• 세균 기여는 alphaproteobacteria에만 국한되지 않을 수 있습니다. 진핵 막지질 대사·내막 기능에 더 넓은 세균 입력이 있습니다.
• 무산소/저산소 해양에서 오래 지속된 ** syntrophy(공영양)** 가설과 잘 맞습니다. GOE 이후에도 표층 외에는 산소가 제한적이었습니다.

쉽게 설명하면

우리 세포의 ‘복잡한 몸’은 먼저 만들어졌고,

미토콘드리아는 나중에 들어온 배터리입니다.

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비유

집을 짓는다고 생각하세요.

1. 먼저 고세균이 뼈대·배관·방 나누기(세포골격, 내막, 핵 비슷한 공간)를 거의 다 해 둡니다.
2. 그다음 세균 하나가 들어와 **발전기(미토콘드리아)**가 됩니다.
3. 그 집이 여러 갈래로 갈라지며 지금의 모든 진핵생물(동물·식물·균류 등)의 조상이 됩니다.

예전에는 “발전기가 들어와야 집이 복잡해진다”는 이야기도 많았습니다.

이 연구는 집이 먼저 꽤 복잡했고, 발전기는 그 다음이라고 날짜를 찍은 것입니다.

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시간 순서 (쉽게)

지구 나이를 대략 46억 년이라고 두면:

• 약 30억~28억 년 전
  나중에 우리 핵이 되는 쪽 조상이, 고세균 친척과 갈라집니다.
  → “앞으로 진핵이 될 집안”이 따로 생김.
• 약 30억~22억 년 전
  그 집안이 이미
  • 뼈대(액틴·튜불린 같은 세포골격)
  • 내부 배관(내막·막 수송)
  • 잡아먹는 기구(식작용)
  • 핵 비슷한 공간, 또는 적어도 유전자 읽는 곳과 단백질 만드는 곳을 떼어 놓음
    을 갖춥니다.
    → 아직 미토콘드리아 없음.
• 약 24억 년 전
  지구에 산소가 확 늘어납니다(GOE).
  그래도 바다는 한참 동안 대부분 공기 없는 상태입니다.
• 약 24억~21억 년 전
  알파프로테오박테리아가 들어와 미토콘드리아가 됩니다.
  단백질을 미토콘드리아 안으로 넣는 문(import 기계) 관련 유전자가 이 무렵 중복·정착합니다.
  → “공생이 이미 진행 중”인 시점.
• 약 18억~17억 년 전
  그 완성된 세포가 여러 갈래로 퍼집니다.
  → 모든 진핵생물의 공통 조상(LECA).

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왜 중요한가

• 미토콘드리아는 “복잡한 세포를 만든 원인”이라기보다,
  이미 복잡한 숙주에 나중에 얹힌 에너지·신호 모듈에 가깝습니다.
• 산소가 막 생긴 직후, 바다는 아직 대부분 무산소라서
  “함께 먹고살기(공영양)”가 오래 이어진 환경과 잘 맞습니다.
• 막과 내막 기능에는 미토콘드리아 조상 세균만이 아니라
  다른 세균의 유전자도 들어왔을 수 있습니다.

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09960-6

진핵 세포의 뼈대·내막·정보처리 대부분은 Asgard 고세균에서 왔고,

알파프로테오박테리아(미토콘드리아 조상)는

주로 에너지와 Fe–S 클러스터를 보탰다.

무엇을 했나

LECA까지 거슬러 올라가는 핵심 진핵 유전자의 원천을,

단순 트리 모양이 아니라 제약 계통수(constrained trees) + 가설 검정으로 비교했습니다.

각 기능 시스템·경로가 Asgard / Alphaproteobacteria / 기타 세균 중 어디에 더 가까운지를 정량화했습니다.

결과

• Asgard가 지배적: 보존된 진핵 기능 시스템·경로의 대부분에서 Asgard 기원이 가장 강합니다. 세포골격, 내막계 등 “진핵처럼 보이는 구조”가 Asgard 계통에서 이미 상당 부분 준비됐다는 해석과 맞습니다. Asgard에 정교한 세포골격이 있다는 실험과도 이어집니다.
• Alphaproteobacteria는 좁고 깊다: 기여는 제한적입니다. 주로
  • 에너지 변환(전자전달계)
  • Fe–S 클러스터 생합성
  • 미토콘드리아 번역계
• 다른 세균 문은 흩어져 있음: 여기저기 수평유전자전이(HGT)는 있지만, 한 문이 체계 전체를 밀어 넣은 일관된 패턴은 없습니다.
• 또 다른 대형 공생 사건의 증거는 이 분석에서 보이지 않습니다. 일부 유전자는 “겉으로는 Asgard에서 왔지만, Asgard가 더 전에 세균에서 받아 온 것”일 수는 있습니다.

이들이 그리는 시나리오

1. Asgard 계통이 LECA로 가는 동안 진핵 세포 조직의 핵심 특징을 먼저 갖춤.
2. 그다음 알파프로테오박테리아 내공생체를 받아들임(미토콘드리아).
3. 그 전후 모두, 다른 세균에서 산발적 HGT가 덧붙음.

Kay et al.(미토콘드리아는 GOE 직후, 숙주 복잡성은 그 이전)과 방향이 같습니다. “숙주가 먼저 복잡해지고, 미토콘드리아는 나중에 에너지 모듈로 들어온다.”

쉽게 설명하면

우리 세포의 ‘뼈대와 방 구조’는

고세균(Asgard) 집안에서 왔고,

미토콘드리아는 나중에 들어온 발전기입니다.

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비유

회사를 차린다고 생각하세요.

• Asgard 고세균 = 본사.
  조직도, 건물 뼈대, 내부 복도, 서류 처리 방식까지 거의 다 만들어 둡니다.
• 알파프로테오박테리아 = 나중에 합병한 발전 자회사.
  전기(에너지)와 철 부품(Fe–S 클러스터)을 주로 가져옵니다.
• 다른 세균들 = 여기저기서 직원 몇 명, 매뉴얼 몇 장을 데려옴.
  도움은 되지만, 회사 전체를 새로 만든 것은 아닙니다.

이 논문은 “지분이 누구 것이냐”를 유전자로 센 연구입니다.

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쉽게 정리

1. Asgard가 대부분을 가져왔다
진핵세포답게 보이는 것—세포 뼈대, 내부 막, 정보를 다루는 기본 시스템—의 유전자가 Asgard 쪽에 가장 가깝습니다.
즉, “복잡한 세포의 골격”은 미토콘드리아가 오기 전에 고세균 쪽에서 이미 상당 부분 준비돼 있었다는 뜻입니다.

2. 미토콘드리아 조상은 역할이 분명하고 좁다
가져온 것은 주로 세 가지입니다.

• 에너지 공장 (전자전달계)
• 철–황 부품 만들기 (Fe–S)
• 미토콘드리아 안에서 단백질을 만드는 번역 기계

“세포 전체를 복잡하게 만든 주인공”이라기보다 배터리와 핵심 부품 공급자에 가깝습니다.

3. 다른 세균은 흩어진 조각
여러 세균에서 유전자가 조금씩 들어왔습니다.
하지만 “이 세균 문이 진핵 세포의 한 시스템 전체를 만들었다”는 일관된 그림은 안 나옵니다.

4. 또 다른 큰 공생은 안 보인다
미토콘드리아 말고 두 번째 대형 합병 사건의 강한 증거는 이 분석에서는 없습니다.
다만 어떤 유전자는 Asgard가 더 예전에 세균에게서 받아 두고, 그걸 진핵으로 넘겼을 수는 있습니다.

Fig. 1은 “진핵 단백질이 어느 원핵생물 문과 가장 가까운가”를 한눈에 보여 주는 그림입니다.
색이 청록(Asgard) 이면 Asgard 기원, 주황(Alphaproteobacteria) 이면 미토콘드리아 조상 쪽입니다.

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a. 분석 파이프라인

왼쪽에서 오른쪽으로 데이터를 걸러 트리를 만듭니다.

1. 진핵 데이터베이스(약 3천만 서열, 993종)와 원핵 데이터베이스(약 7,500만 서열, 47,545종 + Asgard 보강).
2. 각각 HMM 프로필로 압축.
3. 진핵 HMM으로 원핵을 검색 → 비슷한 단백질끼리 묶음 = EPOC(진핵–원핵 직교 클러스터).
4. 13,500개 트리 작성 → 어느 원핵 그룹이 진핵의 자매 분기인지 통계 검정.
5. 그 신뢰도를 ELW / aELW(가중 증거)로 숫자화.

즉, “눈에 띄는 유사성”이 아니라 가설 검정으로 누굴 자매로 둘지 잰 것입니다.

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b. 전체 성적표 (막대 = 평균 aELW, 합이 1)

데이터셋을 여러 겹으로 잘라도 청록(Asgard)이 가장 깁니다.

• 전체 13,500 EPOC
• 코어 데이터
• 중복 유전자를 뺀 세트
• 중심 대사
• 정보처리

어디를 잘라도 Asgard 비중이 제일 큽니다.
알파프로테오박테리아는 그다음이지만 훨씬 짧고, 나머지 세균·다른 고세균은 조각으로 흩어집니다.

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c. 기능을 더 쪼개면 (막대 길이 = EPOC 개수, 색 = 기원 비율)

정보처리 — 전사, 번역, 접힘·분류, 복제·수리, 염색체
청록이 압도적입니다. “유전자를 읽고 단백질을 만드는 본사 업무”는 Asgard 유산입니다.

대사 경로 — 탄수화물, 에너지, 지질, 뉴클레오타이드, 아미노산, 보조인자 등
여기는 색이 divers합니다.

• 에너지 대사에서 주황(알파프로테오박테리아)이 눈에 띄게 늘어납니다.
  전자전달·미토콘드리아 에너지와 맞습니다.
• 지질·이차대사·이물질 분해 등은 여러 세균 색이 섞입니다.
  “한 세균 문이 대사를 통째로 줬다”기보다 여기저기서 조금씩입니다.

회색 조각은 aELW < 0.01, 즉 거의 기여로 치지 않는 분류군입니다.

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이 그림이 말하는 것

• 구조·정보처리 = Asgard가 주인.
• 에너지·Fe–S 쪽 = 알파프로테오박테리아가 두드러짐.
• 그 외 세균 = 산발적 보강.

앞에서 말한 “고세균이 집을 짓고, 세균이 발전기를 달았다”를 기능별 막대그래프로 보여 준 것이 Fig. 1입니다.

Fig. 2는 “세균이 Asgard보다 더 센 경로가 어디인가”를 고른 그림입니다.

각 막대 = 그 세균(또는 고세균) 문이 자기 최고 성적을 낸 KEGG 경로의 aELW.
뒤의 연한 파란 막대 = 같은 경로에서 Asgard의 성적.
앞이 더 높으면, 그 경로만큼은 그 문이 Asgard를 이긴 것입니다. (경로당 EPOC ≥ 20)

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한눈에

대부분의 경로에서 연한 파란(Asgard)이 더 높거나 비슷합니다.
세균이 뚜렷이 앞서는 곳은 몇 개뿐입니다.

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가장 강한 세균 승리 2곳

캡션이 직접 찍습니다.

1. Myxococcota + 니코틴산(나이아신) 대사
   이 그림에서 Asgard 대비 상대 우위가 가장 큽니다.
2. Alphaproteobacteria + 산화적 인산화(전자전달·ATP 합성)
   미토콘드리아 에너지 공장과 정확히 맞습니다. 주황 막대가 두드러집니다.

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그다음으로 눈에 띄는 것들

• Asgard 자신의 최고 경로는 유비퀴틴 매개 단백질분해 (맨 왼쪽, 아주 높음). 진핵 단백질 품질관리의 핵심이 Asgard 쪽에 가깝다는 뜻입니다.
• 감마프로테오박테리아: 지방산 대사
• 방선균(Actinomycetota): 메테인 대사
• 유리아키오타: DNA 복제
• 시아노박테리아: 녹말·수크로스
• 캄필로박터: 글루타티온
• 델타/데술포 계열: 지방산 생합성
• 여러 문: RNA 분해, 2성분 조절, 당·뉴클레오타이드 당, ABC 수송체, 피라미딘, 프로피온산, 탄소고정, 글리신·세린·트레오닌 등

각각은 “그 문이 그 경로에서 최고점”이지, 진핵 대사 전체를 차지했다는 뜻이 아닙니다. 막대 옆에 n =는 그 경로에 들어간 EPOC 수입니다.

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이 그림이 말하는 것

Fig. 1이 “전체적으로 Asgard가 이긴다”면,
Fig. 2는 예외 목록입니다.

• 에너지(산화적 인산화) → 미토콘드리아 조상(알파프로테오박테리아)
• 나이아신 대사 → Myxococcota가 Asgard보다 강함
• 나머지는 경로마다 다른 세균이 조금씩 이김

그래서 본문 결론과 같습니다.
집은 Asgard, 발전기는 알파프로테오박테리아, 다른 세균은 특정 설비만 보강.
두 번째 대형 공생으로 한 문이 체계를 통째로 밀어 넣었다는 그림은 여기서도 안 나옵니다.

Fig. 3은 “그 유전자가 언제쯤 진핵 쪽으로 들어왔는가”를 **줄기 길이(stem length)**로 비교한 그림입니다.
Fig. 1–2가 누구 유전자인가라면, Fig. 3은 상대적 시간입니다.

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용어 (a)

트리에서:

• Sister: 진핵과 가장 가까운 원핵 그룹
• SL: 그 자매 분기점부터 진핵 크라운까지 줄기 길이
• BLs: 진핵 내부 가지들
• NSL = SL / (진핵 내부 가지 길이의 중앙값)

NSL이 길다 = 그 유전자가 진핵 공통조상에 비교적 일찍 들어왔거나, 들어온 뒤 줄기가 길게 진화했다.
NSL이 짧다 = 더 늦게 들어온 신호에 가깝다.
(절대 연대가 아니라, 트리 위에서의 상대 길이입니다. Pittis–Gabaldón 식 접근과 같은 계열입니다.)

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b. 공여자 그룹 비교

왼쪽 바이올린: Asgard(n=2,341), Alphaproteobacteria(n=276), Cyanobacteria(n=295)의 NSL 분포.

오른쪽: 같은 자료를 누적분포(CDF)로.
가로축 NSL(로그에 가깝게), 세로축은 그 길이 이하인 줄기의 비율.
오른쪽 축은 Asgard 대비 Mann–Whitney 검정 P값.

읽기:

• 세 분포가 겹치지만, 시아노박테리아·알파프로테오박테리아 쪽이 짧은 NSL 쪽으로 더 기울어지는 구간이 있습니다.
• 즉, Asgard에서 온 유전자 줄기가 평균적으로 더 길다 → 숙주 쪽 유전자가 더 오래 진핵 줄기에서 진화했다는 해석과 맞습니다.
• 알파프로테오박테리아(미토콘드리아)는 상대적으로 늦은 유입 쪽으로 기울 수 있습니다.
• 시아노는 여기서 대조군·다른 세균 입력의 예시입니다(색소체 전체가 이 그림의 주제는 아님).

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c. 기능 클래스 비교

왼쪽 바이올린: 전체 EPOC, 정보처리, 중심 대사, 산화적 인산화(OXPHOS) 복합체, 리보솜 단백질.

오른쪽 CDF.

읽기:

• 정보처리(갈적색)와 리보솜은 분포가 비교적 깁니다 → 일찍 자리 잡은 Asgard 유산과 잘 맞음.
• OXPHOS(연보라, n=35로 표본이 작음)는 짧은 쪽 덩어리가 보일 수 있음 → 미토콘드리아 에너지 모듈이 나중에 붙었다는 그림과 방향이 같음.
• 중심 대사는 중간·혼합.

표본 수가 기능마다 크게 다르므로(OXPHOS 35 vs 정보처리 709), 곡선 모양만으로 “확실히 늦다”고 단정하지는 말고, 경향으로 보는 것이 맞습니다.

왼쪽 → 오른쪽 시간 순서

1. Pre-ancestral Asgard
단순한 고세균. 아직 “진핵처럼” 보이지 않음.

2. 고세균–세균 컨소시엄
여러 세균과 붙어 삶(syntrophy). 이미 세균 유전자가 조금씩 들어올 수 있는 환경.

3. FECA (첫 진핵공통조상 쪽으로 가는 Asgard)

• 가지 친 세포골격이 생김
• 세포가 커지고 형태가 복잡해짐

4. 원시 내막 형성 + 공생체 포획
고세균형 막(파란 쪽)을 아직 가진 상태에서, 알파프로테오박테리아를 안으로 들임.
이때부터 그림 배경이 파랑(고세균 진화)에서 갈색(원진핵 + 내공생)으로 바뀝니다.

5. 세균형 막으로 전환, 원시 핵
막 화학이 세균 스타일로 바뀌고, DNA를 가두는 공간이 생김.
안에는 이미 공생체(나중에 미토콘드리아).

6. 내막계가 발달하고 핵이 지금의 형태로
소포체·골지 같은 내부 막이 늘고, 핵이 정돈됨.

7. LECA
미토콘드리아가 있는 모든 진핵생물의 공통 조상.

가운데 넓은 보라 띠 Influx of bacterial genes:
처음부터 끝까지, 여러 세균에서 유전자가 조금씩, 여러 차례 들어옴.
한 번의 두 번째 대형 합병이 아니라 조각난 유입입니다.

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색의 의미

• 넓은 연파랑 영역: 진핵 유전자의 주류는 Asgard에서 이어짐.
• 연갈색 영역: 알파프로테오박테리아 내공생 이후의 원진핵 진화.
• 보라 화살: 세균 유전자의 소규모·산발적 보강.

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쉬운 한 줄

고세균이 뼈대와 방을 짓고 → 세균 발전기를 삼키고 → 막을 세균식으로 바꾸고 핵을 갖추며 → 여기저기서 부품을 더 받아 LECA가 된다.