Re: 애스가드 고세균 이전의 생명체 탐구

[문형철]

1. RNA가 효소임을 증명한 실험 — 리보자의 탄생

Kruger K, et al. Self-splicing RNA: autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening sequence of Tetrahymena. Cell (1982).

• 단백질 없이 RNA가 스스로를 자르고 잇는다.
• 1989 노벨화학상(Cech·Altman)의 실험적 뿌리.
• 의미: RNA world가 가설이 아니라 ‘가능’해진 순간. Pre-Asgard는 커녕 세포 이전의 화학.

짝으로 같이 두는 문장: Gilbert W. Origin of life: The RNA world. Nature 319:618 (1986) — 이름을 붙인 기념비.

핵심 발견

Tetrahymena thermophila 대핵 rDNA의 26S rRNA 코딩 영역을 끊는

**413 bp intervening sequence(IVS, 인트론)**가,

단백질 효소·snRNA·RNP 구조 없이

RNA 자체 구조만으로 splicing됩니다.

**“RNA가 혼자 칼로 자기 자신을 잘라내고 이어붙인다”**는 발견

보통 인트론을 자르려면 단백질 효소 + snRNA가 모여 spliceosome을 만들어야 하는데,
Tetrahymena 대핵 rRNA 안의 **413 bp 인트론(IVS)**은

단백질 없이 RNA 스스로 접힌 구조만으로 splicing됩니다.

왜 특별한가

• 그때까지 “효소 = 단백질”이라고 생각했습니다.
• 이 인트론은 리보자임(ribozyme) 의 첫 명확한 예가 됐습니다. (Cech 노벨상)

실험 설계:

• IVS와 양쪽 exon 일부를 포함한 rDNA 절편을 lac UV5 프로모터 하류에 클로닝
• 정제된 E. coli RNA polymerase로 in vitro 전사 → 단축된 pre-rRNA 합성 후 완전히 탈단백질화
• 1가/2가 양이온 + 구아노신(G) 보조인자만 넣고 배양

관찰된 반응:

1. IVS의 정확한 절제(excision)
2. 절제된 IVS 5′ 말단에 DNA에 코딩되지 않은 G 부착
3. IVS의 공유결합 환화(cyclization)
4. exon들의 연결(ligation)

결론:

splicing 활성은

RNA 구조에 내재하며,

IVS 부분이 포스포다이에스터 결합을 끊고 다시 잇는 효소-유사 성질을 가집니다.

이는

RNA의 자가촉매적 재배열이 다른 RNA 반응의 메커니즘·진화에도

함의를 가진다는 점을 시사합니다.

메커니즘 요지 (당시 제안)

구아노신 보조인자가 필요하지만 ATP 등 외부 에너지는 필요 없습니다. 저자들은 포스포에스터 전이(transesterification / topoisomerase-유사) 모델로 설명했습니다. 선형 IVS가 내부 인 원자를 공격해 짧은 올리고를 잘라내며 환화하는 것도 같은 원리입니다.

이 논문 이전에 핵 추출물에서 활성이 단백질에 극히 단단히 붙어 있는 것처럼 보였으나, 완전 합성·탈단백질화된 전사체에서도 동일 반응이 일어나 “RNA 자체가 촉매”임을 직접 보였습니다.

의의

• 최초의 자가 splicing group I intron / ribozyme 증명
• “모든 촉매는 단백질”이라는 당시 통념을 깨뜨림
• 이후 RNase P RNA 촉매 활성, hammerhead 등 다양한 리보자임, RNA world 가설, CRISPR 가이드 RNA 등으로 이어지는 출발점

인용 수는 수천 회(검색 결과에 따라 2,000–3,600+회)로,

RNA 생물학의 분수령 논문입니다.

2. RNA world를 진화 시간표에 올린 종합

Joyce GF. The antiquity of RNA-based evolution. Nature (2002).

• 리보자·리보솜(리보자의 화석)·유전암호를 묶어 “RNA 기반 진화는 생명 초기에 이미 있었다”고 정리.
• Pre-ancestral Asgard보다 20억 년 이상 앞선 층. 그림의 왼쪽 바깥.

논문이 말하는 핵심

현재 지구상의 모든 생명(그리고 지질기록에 남은 생명)은

DNA 유전체 + 단백질 효소 형태입니다.

그러나

그 이전에는 더 단순한 생명 형태가 있었고,

그 시대를 RNA world라고 부릅니다.

• 유전정보 = RNA 염기서열
• 표현형(기능) = RNA의 촉매 활성(리보자임)

즉 RNA가 유전자이면서 효소였던 시대입니다.

왜 RNA world를 강하게 주장하는가

저자가 드는 근거는 크게 세 갈래입니다.

1. 현존 생명의 ‘화석’
   리보솜의 핵심 촉매(펩타이드 결합 형성)가 RNA이고, tRNA·rRNA·많은 보조효소(NAD, CoA, SAM 등)가 뉴클레오타이드 유도체입니다. 단백질 대사가 RNA 골격 위에 나중에 덮인 ‘팔림프세스트(겹쳐 쓴 양피지)’처럼 보입니다.
2. 실험실에서 재현된 RNA 촉매
   in vitro 진화로 RNA 중합효소 리보자임, 뉴클레오타이드 합성 리보자임, 아미노산 활성화·펩타이드 결합 리보자임 등이 만들어졌습니다. Kruger/Cech의 group I intron처럼 “RNA만으로 결합을 끊고 잇는” 반응이 실제로 가능함을 보여 줍니다.
3. 화학·진화 논리
   DNA는 안정하지만 촉매력이 약하고, 단백질은 촉매력은 뛰어나지만 자기복제가 어렵습니다. RNA는 둘을 한 분자에서 겸할 수 있어, 초기 자기복제 시스템에 가장 적합합니다.

리뷰가 다루는 문제들

논문은

RNA world를 단순히 찬양하지 않고,

어떻게 RNA가 생겼는지와 어떻게 DNA/단백질로 넘어갔는지를 솔직히 짚습니다.

• RNA의 기원 난제: 리보스, 염기, 인산화, 올바른 입체화학(키랄성)이 한꺼번에 모이기 어렵습니다. 그래서 TNA, GNA, PNA, p-RNA 같은 더 단순한 핵산 유사체가 RNA 이전 유전물질 후보로 거론됩니다.
• 자기복제: 비효소적 주형 유도 중합은 오류가 많고 입체장애가 큽니다. 진정한 RNA polymerase 리보자임이 RNA world의 핵심 조건입니다.
• 다음 단계: RNA가 단백질 합성을 촉매하게 되고(리보솜의 원형), 이후 리보뉴클레오타이드 환원으로 DNA가 등장하면서 유전정보가 DNA로 ‘역전사’됩니다.

그림으로 제시된 흐름은 대략
전생물 화학 혼돈 → RNA 유사 중합체 → 촉매 RNA → RNA 자기복제 → RNA 촉매 단백질 합성 → DNA/단백질 세계입니다.

4. Pre-Asgard가 Asgard가 되고, 진핵 숙주가 열리다

Spang A, et al. Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes. Nature 521:173–179 (2015).

• Lokiarchaeota. 진핵 서명 단백질(ESP), 막 재형성 기구의 고세균 기원.
• 그림의 Pre-ancestral Asgard → FECA로 들어가는 첫 기념비.

북극 중앙해령 근처 Loki’s Castle 열수구 인근 심해 퇴적물 메타유전체에서,

진핵생물과 가장 가까운 고세균 계통 Lokiarchaeota를 발견한 논문입니다.

진핵세포(우리 세포)의 숙주 조상이 “진짜 고세균”이었다는 가설을 강하게 밀어 준 전환점입니다.

앞 논문들과의 위치:

• Kruger 1982 / Joyce 2002: RNA가 촉매·유전을 겸하던 시대
• Moody 2024: LUCA는 이미 DNA·단백질·원핵생물급 세포
• Spang 2015: LUCA 이후 고세균 쪽에서, 진핵 숙주가 될 ‘복잡한 고세균’이 등장

무엇을 발견했나

배양되지 않은 심해 고세균의 유전체를 조립해 후보 문(phylum) Lokiarchaeota를 제안했습니다.
계통유전체 분석에서 Lokiarchaeota는 진핵생물과 **하나의 단일계통(monophyletic group)**을 이룹니다. 즉 진핵생물은 고세균 ‘옆’이 아니라 고세균 안쪽에서 갈라져 나왔다는 그림입니다 (당시 TACK 슈퍼문 내부, 이후 Asgard 고세균으로 확장).

유전체가 특별한 이유 — eukaryotic signature proteins

Loki 유전체에는 그때까지 진핵생물에서나 보이던 단백질들이 많이 들어 있습니다. 특히:

• 액틴 및 관련 단백질 (세포골격)
• Ras 슈퍼패밀리 GTPase
• ESCRT, 유비퀴틴 관련 인자 등

이들은 막 리모델링·소포 수송·식작용(phagocytosis)에 가까운 능력을 암시합니다.
저자들은 이를 진핵 숙주가 세균(미토콘드리아 조상)을 삼키기 전에 이미 가지고 있던 **유전체 ‘스타터 키트’**라고 부릅니다. 복잡한 세포소기관·세포골격을 처음부터 발명한 게 아니라, 고세균 조상이 이미 부품을 갖고 있었다는 주장입니다.

왜 “원핵과 진핵 사이의 다리”인가

고전 3역 체계에서는 세균 / 고세균 / 진핵이 나란히 갈라집니다.
이 논문은 **2역 체계(세균 vs. 고세균+진핵)**와 진핵 숙주 = 고세균 가설을 유전체로 뒷받침합니다.
진핵만의 특징 중 상당수가 “진핵이 생긴 뒤”가 아니라 고세균 조상 단계에서 이미 준비되어 있었다는 뜻입니다.

바로 이어지는 확장판:

Zaremba-Niedzwiedzka K, et al. Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity. Nature 541:353–358 (2017).

• Loki·Thor·Odin·Heimdall을 Asgard로 묶음. 그림의 cytoskeleton, endomembrane, symbiont capture 직전 숙주.

(5편 슬롯을 맞추려면 2015를 본편, 2017을 한 세트로 읽으면 됩니다.)

2015년 Lokiarchaeota 논문의 직접 후속작입니다.

Loki 하나만으로 “진핵 숙주 = 고세균”을 말하기엔 표본이 적었는데,

이번에는 Loki, Thor, Odin, Heimdall을 묶어

**Asgard 슈퍼문(superphylum)**을 제안하고,

진핵 세포의 복잡성이 고세균 숙주에 이미 상당 부분 준비되어 있었다고 주장합니다.

논문의 핵심

현재 가장 설득력 있는 진핵 기원 시나리오: 고세균 숙주 세포 + 알파프로테오박테리아(미토콘드리아 조상) 내부공생 → 첫 진핵세포

2015년에는 그 숙주가 Lokiarchaeota에 가깝다고 했습니다.

2017년 논문은 여러 환경 메타유전체에서 Loki 친척들을 더 찾아, 이들을 북유럽 신화 이름으로 묶어 Asgard archaea라고 부릅니다.

계통유전체 분석에서 Asgard는 진핵생물과 한 가지로 묶입니다. 유전체에는 예전에는 “진핵생물 전용”으로 여겨지던 단백질이 더 많이 들어 있습니다.

Loki에서 한 걸음 더 — 막 수송 기계

특히 Thorarchaeota 유전체가 중요합니다.

• Sec23/24 유사 단백질
• TRAPP 도메인
• 진핵 소포 형성에 쓰이는 coat protein과 비슷한 특징을 가진 단백질

즉 Loki에서 보이던 액틴·GTPase 수준을 넘어, 막 트래피킹·소포 생성 기계의 부품이 고세균 쪽에 이미 있었다는 이야기입니다. 진핵의 엔도멤브레인 시스템·식작용이 “공생 이후 갑자기 발명”된 것이 아니라, 숙주가 이미 부품을 갖고 있었다는 쪽으로 무게가 실립니다.

저자들의 표현: 고세균 숙주는 진핵 세포 복잡성을 지배하는 핵심 부품들을 이미 가진 상태였다.

2015 → 2017의 차이

Spang 2015Zaremba-Niedzwiedzka 2017

대상	Lokiarchaeota	Asgard (Loki + Thor + Odin + Heimdall)
초점	진핵과 단일계통, ESP(액틴 등)	ESP 목록 확대, 막 수송 기계
의미	“다리가 있다”	“숙주가 이미 꽤 복잡한 스타터 키트를 가졌다”

이름 Asgard는 Loki’s Castle에서 이어진 북유럽 신화 작명입니다.

전체 이야기 속 위치

RNA world (Joyce) → LUCA 원핵생물급 세포 (Moody) → 고세균 Diversification → Asgard가 진핵 숙주 쪽으로 갈라짐 → 세균 공생으로 미토콘드리아·세포 복잡성 폭발.

5. RNA world의 후예 — 진핵 miRNA

Moran Y, Agron M, Praher D, Technau U. The evolutionary origin of plant and animal microRNAs. Nature Ecology & Evolution 1:0027 (2017).

• 동물·식물 miRNA가 독립 기원인지, LECA에 이미 작은 RNA 조절이 있었는지가 핵심 쟁점.
• miRNA는 세균/고세균의 고전 RNA world 유물이 아니라, 진핵 세포(그림의 LECA 이후) 에서 RNAi 기구가 정교해진 층.
• 더 앞선 실험 기념비는 Lee RC, Feinbaum RL, Ambros V. The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs. Cell (1993) — miRNA의 발견.

식물과 동물의 **microRNA(miRNA)**가 따로따로 생겼는지, 아니면 진핵 공통조상에 이미 있었는지—

그리고 다세포성·복잡성과 어떤 관계가 있는지를 정리한 리뷰입니다.

앞선 Asgard/진핵 기원 이야기 다음에 나오는

“진핵 안에서 RNA 조절이 어떻게 진화했는가”에 해당합니다.

miRNA가 하는 일

짧은 내인성 RNA가 표적 mRNA에 결합해 전사 후 유전자 조절을 합니다.

식물·동물의 발생과 생리에 필수입니다.

siRNA(항바이러스·반복서열 억제)와 비슷하지만, 보통 특정 발생 유전자를 정밀하게 조절하는 쪽이 miRNA입니다.

통념 vs. 이 리뷰가 던지는 질문

통념: 식물 miRNA와 동물 miRNA는 수렴진화(독립적으로 여러 번 생김).
실제로 개별 miRNA 서열은 식물–동물 사이에 보존되지 않고, 생성 경로도 다릅니다.

이 논문이 열어 두는 다른 시나리오:
자포동물·해면 같은 비좌우대칭 동물, 육상식물, 여러 조류 데이터를 보면, **이들 계통의 마지막 공통조상(대략 LECA 이후의 깊은 진핵 조상)**이 이미 miRNA 경로를 썼을 가능성도 있다. 그 경우 지금의 차이는 “처음부터 달랐다”가 아니라 공통 경로가 갈라진 뒤 크게 개조되고, 일부 계통에서는 소실된 결과일 수 있습니다.

저자들은 두 시나리오를 병치합니다.

1. 최소 여러 차례 독립 기원 (좌우대칭동물, 자포동물, 해면 일부, 육상식물, 녹조, 갈조, 점균, excavates 등)
2. 공통조상에 경로가 있었고 이후 획득·상실이 반복

식물 vs. 동물 — 무엇이 같고 무엇이 다른가

공통

• Dicer/DCL 계열로 이중가닥 RNA를 자름
• Argonaute에 실려 표적을 찾음
• 발생 조절에 중요

차이 (canonical 경로)

• 동물: 핵에서 Drosha–DGCR8이 pri-miRNA를 자르고, 세포질 Dicer가 마무리. 보통 불완전 상보 → 번역 억제·불안정화.
• 식물: DCL이 핵에서 거의 다 처리. 대체로 거의 완벽한 상보 → 절단. HYL1 등 식물 특이 보조인자.

네트워크 모양도 다릅니다. 육상식물은 비교적 보존된 miRNA가 핵심 발생 유전자를 강하게 조절하는 경향이 있고, 좌우대칭동물은 miRNA 수가 많고 표적이 넓으며 피드백이 복잡한 편입니다.

복잡성·다세포성과의 관계

miRNA가 “다세포가 되려고 발명된 것”인지, 이미 있던 RNA 간섭 기계를 발생 조절에 전용한 것인지는 아직 결론이 없습니다.

단세포 조류·원생생물에도 miRNA-like 경로가 보고되어, 다세포성 전제조건이라기보다 RNA 조절 도구의 재사용에 가깝다는 해석도 나옵니다.

3. Asgard 이전의 세포 — LUCA의 초상

Moody ERR, et al. The nature of the last universal common ancestor and its impact on the early Earth system. Nature Ecology & Evolution 8:1654–1666 (2024).

• LUCA ≈ 42억 년 전, 유전체 ~2.5 Mb, 약 2,600 단백질, 혐기성 아세토젠, 초기 면역, 이미 생태계 안의 세포.
• 그림의 “Archaeal/bacterial consortium”, “Pre-ancestral Asgard” 바로 앞이 여기입니다.
• RNA world의 끝: 리보솜·번역은 이미 있고, DNA 유전체로 넘어간 뒤의 마지막 공통조상.

모든 현존 생명의 마지막 공통 조상 LUCA가

언제, 어떤 생물이었는지와 초기 지구 시스템에 어떤 영향을 줬는지를

유전체·분자시계·대사 재구성으로 추정한 논문입니다.

Kruger 1982: RNA가 스스로 촉매한다

→ Joyce 2002: 그 이전에 RNA world가 있었다

→ Moody 2024: RNA world를 지나 이미 DNA·단백질·세포막·면역까지 갖춘 ‘현대 원핵생물급’ 세포가 약 42억 년 전에 존재했다.

핵심 결론

항목추정

시기	약 42억 년 전 (4.09–4.33 Ga). 지구 형성(45.4억 년) 후 불과 ~3–4억 년
유전체	최소 2.5 Mb, 단백질 유전자 약 2,600개 (현생 자유생활 원핵생물 수준)
대사	혐기성 아세토젠(anaerobic acetogen). H₂ + CO₂ → 아세테이트 (Wood–Ljungdahl pathway)
특징	리보솜·번역계·막 ATP 합성·DNA 복제 이미 존재. 초기 면역계(CRISPR-Cas 유사) 보유
생태	혼자 살지 않음. 이미 미생물 군집·바이러스와의 군비경쟁이 있는 생태계의 구성원

즉 LUCA는 “원시 반세포(progenote)”가 아니라, 이미 꽤 복잡한 원핵생물급 세포였다는 쪽입니다.

방법의 요지

• LUCA 이전에 이미 복제된 유전자 패밀리(paralogs)를 분자시계로 분석. 복제 시점과 종 분기를 교차 보정(cross-bracing).
• 미생물 화석·동위원소 기록으로 시계를 보정.
• 수천 개 유전자 패밀리의 존재 확률을 합쳐 유전체 크기·대사 네트워크를 확률적으로 재구성 (이전처럼 “모든 도메인에 반드시 있는 유전자만” 세지 않음).

이 때문에 과거 추정치(유전자 수십~수백 개)보다 훨씬 큰 유전체가 나옵니다.

LUCA가 하는 일과 지구 시스템

• H₂와 CO₂를 써서 탄소를 고정하고 아세테이트를 만듦 → 다른 미생물에게 유기물 니치를 제공.
• 대기 광화학에 의한 수소 재순환이 있으면, 초기 생태계가 아주 빈약하지는 않았을 수 있음.
• 이미 바이러스가 있었고, LUCA는 그에 대항하는 면역 장치를 가지고 있었음.