미토콘드리아 유전자, 치토그롬 옥시다제(subunit I)의 염기서열을 이용한 새치성게(Strongylocentrotus intermedius)의 진화과정 분석

Abstract

우리나라 동해안에 서식하는 새치성게(Strongylocentrotus intermedius)는 둥근성게과(Strongylocentrotidae)에 속하는 냉수성 해양 무척추동물이다. 둥근성게과에는 현재 9종의 성게가 속해 있으나, 아직 종간의 분류 기준, 계통 분류학적 유연관계, 진화과정 등이 잘 밝혀져 있지 않다. 본 연구는 유전자 염기서열이라는 분자형질을 이용하여 새치성게의 종 분류기준을 확립하고 이 종의 계통진화 및 분화 시기를 파악하고자 수행되었다. 이를 위하여 변화율이 빠르고 모계로만 유전되는 특성을 가진 미토콘드리아의 한 유전자인 cytochrome c oxidase subunit I(COI)을 분석하였다. 새치성게의 생식소에서 DNA를 추출하고 중합효소연쇄반응으로 COI 유전자 단편을 선택적으로 증폭하였으며, 클로닝과 시퀀싱 과정을 거쳐 COI 유전자의 단편 1077개 염기쌍 순서(염기서열)를 확정하였다. 이 염기서열과 유전자 데이터베이스(GenBank)에 들어있는 다른 성게 및 해삼, 불가사리의 유전자를 비교하고 그 분자 계통수를 작성함으로써 새치성게의 진화과정을 분석하였다. COI 유전자 계통수는 새치성게가 태평양 동쪽 연안에 서식하는 S. purpuratus와 계통적으로 자매군(sister species)의 관계에 있음을 보였다. 두 종의 분화 시기는 계통수 상 분지의 길이와 화석연대를 고려하여 산출했을 때 지구 온도의 변동이 심했던 약 890만년 전으로 추정되었다. 태평양의 동안과 서안으로 분리된 두 종의 현재 분포와 종분화 시기의 지구 환경조건은 두 종간의 분화가 환경변화에 따른 개체군의 지리적 분리(vicariance)에 의한 것임을 시사해 준다. 한편, 새치성게의 COI 유전자염기서열은 이 종을 대표하는 분자형질로서 둥근성게과의 성게들을 서로 구분할 수 있는 종분류의 기준이 될 것이다.

Sea urchin S. intermedius occurring in the Korean east coast is a cold water species that belongs to the family Strongylocentrotidae of Echinoidea. Although it is known that there are nine species in the family, species identification criteria, phylogenetic relationships, time and process of evolution of the family members have not been uncovered clearly. In the present study, I tried to find some clues to such problems for S. intermedius by means of DNA sequences. For this, cytochrome c oxidase subunit I (COI), one of the mitochondrial genes that evolve fast and follow maternal inheritance was analyzed. DNA was extracted from the female gonad of S. intermedius, a segment of COI gene amplified by polymerase chain reaction (PCR), and finally a total of 1077 base pair sequence of COI obtained by cloning and sequencing the PCR product. The sequence was compared with homologous genes of other sea urchins and echinoderm species. Phylogenetic trees of the COI gene segment revealed that S. intenedius is a sister species of S. purpuratus which lives along the east coast of the Paciflc. With reference to the fossil records of sea urchins and genetic distances in the molecular phylogenies, it is estimated that the two species were separated about 0.89 million years ago when the earth temperature fluctuated significantly. The current disjunct distribution patterns of the two species and the climate change of the earth at the time of separation suggest that speciation might have occurred by vicariance. The COI gene sequence obtained here now can be used as a molecular character which discerns S. intermedius from the other sea urchin species of Strongylocentrotidae.