장내 세균은 유전자처럼 가문의 혈통을 따라 유전되지 않는다

출처 1에서 다루는 Suzuki 등의 연구는 수십 종의 장내 세균이 오랜 역사에 걸쳐 서로 다른 인간 집단과 나란히 진화했다고 주장했습니다. 이를 공진화(codiversification)라고 부릅니다. 이 주장은 인간 게놈으로 만든 계통수와, 같은 사람들이 지니고 있는 장내 세균의 게놈으로 만든 계통수 사이에서 통계적 유사성을 발견한 것에 근거하고 있었습니다. 함께 실린 해설은 한 걸음 더 나아가, 일부 장내 세균이 수천 세대에 걸쳐 특정 인간 혈통에 충실하게 남아 있었을 수 있다고 제안했습니다.

출처 1에 실린 새로운 재분석은 이러한 더 강한 그림에 반박을 제기합니다. 같은 데이터를 비교한 결과, 저자는 인간과 미생물 계통수 사이의 통계적 연관성이 한 사람 자신의 게놈에서 서로 무관한 두 부분 사이의 연관성보다 훨씬 약하다고 보고합니다. 서로 다른 염색체는 한 사람의 조상 계보를 나타내는 지표로서 동등하게 좋아야 하므로, 이런 격차는 세균 관련 결과가 미생물과 숙주 사이의 긴밀한 진화적 동반 관계를 포착한 것이 아님을 시사합니다.

저자는 또한 가짜 상관관계조차 아무 관계가 없는 곳에서 나타날 수 있음을 보여줍니다. 두 가지 이론적 예시에서, 인간과 미생물 사이에 공유된 진화사가 전혀 없이 지리적 패턴만으로도 원 연구에서 보고된 가장 강한 값만큼 강한 통계 점수가 나왔습니다. 이는 이런 종류의 검정에서 나온 유의미한 결과 자체만으로는 세균 종과 그 인간 숙주가 함께 진화했다는 것을 증명하지 못한다는 것을 의미합니다.

출처 1에 설명된 대로, Suzuki 등은 PACo라는 방법을 사용해 세균 계통수가 그것을 지닌 사람들의 인간 계통수와 얼마나 밀접하게 일치하는지를 측정했습니다. 이 검정은 어느 숙주가 어느 세균 균주와 짝지어지는지를 뒤섞은 뒤, 실제 짝짓기가 뒤섞은 짝짓기보다 더 유사해 보이는지를 확인하는 방식으로 작동합니다. 이 검정에서 조사된 59개 세균 종 가운데 36개 종이 우연보다 강한 인간 조상 계보와의 일치를 보였습니다.

출처 1의 재분석은 원 연구에 없던 비교 기준을 하나 추가합니다. 바로 서로 연관되지 않은 인간 게놈의 두 부분을 같은 방식으로 서로 비교하는 것입니다. 한 사람의 DNA 중 서로 다른 구간들은 특정 지역 집단 내에서 어느 정도 독립적으로 유전되기 때문에, 이들 사이에 남아 있는 어떤 상관관계든 조상의 가장 넓은 특징들, 주로 그 사람의 조상이 어느 대륙이나 국가 출신인지만을 반영합니다. 이 두 게놈 부분에 대해 PACo 검정을 반복한 결과 효과 크기가 약 0.7로 나왔는데, 이는 Suzuki 등이 발견한 가장 강한 세균 효과 크기인 약 0.07보다 훨씬 큽니다. 다시 말해, 한 사람 자신의 게놈 두 부분이 조상 계보 면에서 서로 닮은 정도가, 어떤 세균 종이 그 인간 숙주와 닮은 정도보다 훨씬 크다는 것입니다.

이 격차는 PACo 점수뿐 아니라 근본이 되는 유전적 거리를 직접 살펴봐도 그대로 유지되었습니다. Prevotella copri처럼 가장 강한 공진화 신호가 보고된 종의 경우, 조상 계보가 더 먼 숙주일수록 평균적으로 약간 더 다른 세균 균주를 지니고 있었으며, 이는 통계적으로 검출 가능한 패턴이었습니다. 그러나 이 평균적 차이는 한 국가 안에서 발견되는 세균 균주의 변이, 혹은 심지어 일란성 쌍둥이처럼 가장 가까운 혈연관계에 있는 숙주들 사이의 변이에 비하면 작았습니다.

재분석은 이 약한 상관관계의 원인 중 하나로, 장내 세균이 서로 무관한 사람들 사이를 자유롭게 이동한다는 점을 꼽습니다. 출처 1이 인용한 이전 연구는 서로 다른 대륙에서 채취한 세균 균주 사이의 유전적 차이가, 같은 지역에서 채취한 균주 사이의 차이보다 크지 않은 경우가 많으며, 서로 무관한 숙주가 다른 대륙에 살면서도 때때로 거의 동일한 균주를 지닐 수 있음을 발견했습니다. 같은 게놈을 공유하는 일란성 쌍둥이조차 평생에 걸쳐 서로 더 먼 관계의 세균 균주에 정착하게 되는 경우가 흔합니다.

출처 2와 3의 별도 연구는 이런 이동성을 설명할 수 있는 메커니즘, 즉 수평적 유전자 이동(horizontal gene transfer)을 지목합니다. 이는 부모와 자손 관계가 아닌 생물체들 사이에서 유전 물질이 이동하는 현상입니다. 출처 2는 장이 이런 종류의 교환에 특히 유리한 환경이라고 설명하며, 안정된 온도, 지속적인 먹이 공급, 그리고 촘촘하게 밀집된 미생물 세포와 바이러스의 밀도를 근거로 듭니다. 이 모든 요소가 세균이 DNA를 직접 주고받을 기회를 다수 만들어냅니다. 출처 3은 네덜란드의 Lifelines-DEEP 코호트에 속한 338명을 대상으로 약 4년 간격을 두고 표본을 채취한 종단 연구로, 장내 세균 사이에서 5,644건의 신뢰도 높은 유전자 이동 사건을 확인했으며, 재구성된 세균 게놈의 61.2%가 적어도 한 번의 이동에 관여했다고 밝혔습니다.

출처 3은 나아가 이런 이동 중 일부는 매우 최근에 일어났다고 보고합니다. 추정 154건의 사건은 DNA 일치도가 매우 높아 지난 100년 이내에 일어났을 수밖에 없으며, 여기에는 서로 다른 네 개의 세균 속에 걸쳐 사실상 동일한 서열로 퍼진 테트라사이클린 내성 유전자의 확산이 포함됩니다. 이는 1950년대부터 시작된 테트라사이클린 항생제 사용 증가와 부합합니다. 이런 종류의 빠르고 최근에 일어난 교환은 공진화가 요구하는 세대 간의 수직적 유전과는 다른 과정이며, 출처 1은 이런 빈번한 교환이 세균 종과 그 인간 숙주 사이의 장기적 병행 진화 신호를 흐리게 만드는 경향이 있다고 주장합니다.

출처 1은 인간과 세균의 조상 계보가 완전히 무관하다고 주장하지는 않습니다. Prevotella copri의 경우, 분석 결과 숙주 유전적 거리와 세균 유전적 거리가 함께 증가하는 경향이 통계적으로 유의미하게, 다만 작게 나타났습니다. 논쟁의 핵심은 이런 종류의 신호를 어떻게 해석할 것인가에 있습니다. 이 출처는 PACo 검정에서 통계적으로 유의미한 일치가 나왔다고 해서 그 자체만으로 전통적 공진화 개념이 함의하는 긴밀한 진화적 동반 관계가 증명되는 것은 아니라고 주장합니다. 인간과 세균 다양성 모두의 지리적 군집화가 그 자체로 비슷해 보이는 결과를 만들어낼 수 있기 때문입니다.

재분석은 또한 한 가지 기술적 문제를 지적합니다. 이런 시간 규모에서 인간과 세균 게놈 모두에서 빈번하게 일어나는 재조합, 즉 유전 물질의 뒤섞임과 혼합은 애초에 어떤 단일 계통수도 조상 계보를 완벽하게 요약하지 못하게 만듭니다. 이 논문은 추가적인 유보 사항과 세부 내용이, 여기서 검토한 지문에는 포함되지 않은 보충 방법과 그림에서 다뤄진다고 밝히고 있습니다. 저자는 이번 발견을 이 문제를 완전히 해결한 것이 아니라, 인간과 그 장내 미생물이 실제로 얼마나 공진화했는지를 정량화할 새로운 접근법이 필요함을 가리키는 것으로 제시합니다.