[ Gerd B. Müller (2007), “Evo-devo: extending the evolutionary synthesis”, Nature Review: Genetics 8, pp. 943-949. ]
1. 다양한 연구 프로그램들 (Multiple research programmes)
1.1. 비교 발생학과 비교 형태학 프로그램
(The comparative embryology and morphology programme)
1.2. 진화 발생 유전학 프로그램
(The evolutionary developmental genetics programme)
1.3. 실험적 후성유전학 프로그램
(The experimental epigenetic programme)
1.4. 이론적・계산적 프로그램
(The theoretical and computational program)
2. 주된 이론적 주제들 (Major theoretical themes)
2.1. 모듈성 (Modularity)
2.2. 표현형 가소성 (Phenotypic plasticity)
2.3. 혁신 (Innovation)
3. 이론적 함축 (Theoretical implications)
3.1. 진화 능력 (Evolvability)
3.2. 창발 (Emergence)
3.3. 조직 (Organization)
4. 앞으로의 도전들 (Challenges ahead)
■ 진화 발생 생물학 소개 [p. 943]
- 진화 발생 생물학(evolutionary developmental biology)
- 현대적 종합에서 발생 과정에 대한 이론이 빠졌음을 지적하며 1980년대에 등장함.
- 유전자 복제 기술과 배아 조직(embryonic tissue)의 유전자 활동을 시각화하는 기법의 발달하면서 다른 종 사이의 발생 과정이 비교가능해짐.
- evo-devo 연구
• (i) 발생계가 어떻게 진화해왔는지
• (ii) 유기체 진화에서 역사적으로 확립된 체계들의 귀결이 무엇인지
• (iii) 진화적인 발생의 상호 작용이 환경 조건과 어떠한 관계를 맺는지
1. 다양한 연구 프로그램들 (Multiple research programmes)
[p. 943]
지난 20년 간, 구성하는 네 가지 주요한 연구 프로그램들이 evo-devo를 구성함.
1.1. 비교 발생학과 비교 형태학 프로그램
(The comparative embryology and morphology programme)
[p. 943]
- 기본적인 개체발생(ontogenies)과 파생적인 개체발생을 구분하는 형태발생적(morphogenetic) 차이를 탐구함
- 고생물학에서 얻은 멸종된 종에 대한 정보와 화석화된 척추동물의 태아와 무척추동물의 초기 단계에서 얻은 정보를 이용함
- 고생물학이 제공하는 이시성(heterochrony)과 수억 년 간의 해부학적 변화는 현존하는 종과의 차이를 비교할 수 있게 함
1.2. 진화 발생 유전학 프로그램
(The evolutionary developmental genetics programme)
[p. 943]
- 발생을 이끄는 유전적 장치(genetic machinery)에 초점
- 조절 유전자(regulatory gene) 복제 기술과 유전자 발현을 관찰하는 기술의 발달로 가능해짐
- 몸의 기본형식(Body Plan)이 완전히 다른, 거리가 먼 종 사이에 유전자 조절 메커니즘이 대규모로 비슷함
- 유전적 툴킷(genetic toolkits)의 진화와 유기체 발생의 기저가 되는 조절 논리(regulatory logic)에 집중
• 예) 변이・복제・분기를 통한 호메오 유전자(homeotic genes)의 진화
- 유전자 조절 네트워크의 위계와 세포와 조직의 상호 작용을 조절하는 신호전달 경로(signalling pathway)는 동등하게 핵심적임. 표현형 진화(phenotypic evolution)에서 가능한 역할에 관한 정보를 산출함
1.3. 실험적 후성유전학 프로그램
(The experimental epigenetic programme)
[p. 943]
- 분자・세포・조직의 상호작용이 진화적 변화에 어떤 영향을 미치는지 탐구
- 유전적으로 결정되지 않는 발생의 속성에 초점
• 예) 자기 조직화(self-organization)나 기하학적・물리적 요인 등
- 후성적 접근(epigenetic approach): 환경이 발생에 미치는 영향. 동일 유전자형(genotype)이 다른 외부 조건에 대응하여 다른 표현형(phenotype)을 산출할 수 있음.
• 예) 표현형 모사(phenocopy)와 호메오틱 형질전환(homeotic transformation)
1.4. 이론적・계산적 프로그램
(The theoretical and computational program)
[p. 943]
- 발생적 진화를 수량화하고 모델링하고 시뮬레이션으로 만드는 작업에 초점
- 3차원 재구성 도구, 유전자 활동 수량화, 다변수 분석 방법의 도입 등으로 가능해짐
[p. 944]
- 발생에 관한 데이터는 특정 기관의 생물학적 모델링에 사용됨.
• 예) 이빨의 형성
- 생물학적 모델링은 유전자 활동과 세포의 자기 조직화의 변화가 형태발생(morphogenesis)과 표현형 변화의 가능성에 어떤 영향을 주는지 보여주는 것을 목표로 함
• 예) 진화에서 자기 조직적인 ‘창발적’ 네트워크가 위계적 네트워크로 교체되는 경향
- 현존하는 생물종의 개체 발생(ontogenies)이 유전적으로 견고한 것은 안정적이고 구획 지어진 조건을 구성한다. (초기 체계가 더 유동적이고 잠재성 있었을지 모르지만)
[p. 944]
- evo-devo에서 보이는 다원주의는 단일한 연구 프로그램이라는 발생에 관한 다양한 프로그램을 공유함을 보여준다.
동시에, .....
2. 주된 이론적 주제들 (Major theoretical themes)
■ 조절 유전자 수준 [p.944 #3]
- 유전자 조절 장치의 진화는 형태학상 진화(morphological evolution)의 주된 동력으로 간주됨
- 시스 조절 요소(cis-regulatory element)의 기원에 관한 연구는 유기체 진화의 분자 모형에 관한 기초를 제공함
- 해부학적으로 다양한 유기체들에게 유전자 조절 요소가 보존되어 있지만(e.g. 혹스 유전자), 그러한 요소들의 활동은 개체들, 군집들, 종들 간 다르다.
- evo-devo의 주된 흐름은 유전자 조절 네트워크의 진화가 진화에서 어떠한 인과적 역할을 하는지 등에 집중하는 것
■ 표현형 수준 [p.944 #4]
- 표현형의 수준에서 본다면, evo-devo 문제는 다른 강조를 함.
- 질문
• (i) 특정한 구조적 모티프들(motifs)이 어떻게 발생하는가
• (ii) 그러한 모티프들은 어떻게 보존되며 몸체로 통합되는가
• (iii) 그러한 모티프들은 어떻게 반복해서 사용되는가
- 표현형 구조(phenotypic architecture)은 분자의 묶음들(suites)이나 발생적 상호작용들보다 강건함(robust). 표현형 조직의 기원은 evo-devo의 숨은 쟁점
- 표현형 조직은 유전자 조절의 진화, 후성적 상호 작용의 역학 관계, 세포와 조직 성장의 화학 물리적 속성, 환경 파라미터들의 영향을 포함함
- 이론적 주제: 모듈성, 가소성, 혁신성
2.1. 모듈성 (Modularity)
[p. 944]
- 모듈 조직(modular organization)는 생물학적 조직의 모든 레벨에 퍼져있다.
- 모듈을 유전적으로 구분하는 것: 외적 결합(intermodule)보다는 내적 결합(intramodule), 반복성, 진화 과정에서의 지속성과 재사용
- 쟁점
• (i) 발생적 모듈은 적응적 진화나 비-적응적 진화의 촉진물(facilitator)이 될 수 있는가?
• (ii) 모듈성은 표현형 진화에서 선호되는 양태(preferred mode)를 표상하는가?
■ 진화에서의 모듈성의 역할을 이해하기 [p. 944]
- 방법(1): 유전자형-표현형 지도 만들기
• 유전자형 변화와 표현형 변화의 대응이 모듈적이라면, 이는 더 적은 차원의 독립된 지도로 분리할 수 있음
• 표현형의 한 부분에만 영향을 미치는 모듈은 다른 부분에서 해로운 다면발현(pleiotropic) 없이 독립적으로 선택하는 반응할 수 있음
• 적응적 원리로서의 모듈성의 진화는 유전 가능한 표현형 변화를 발생할 능력을 증가시킴
- 방법(2): 발생 모듈과 표현형 구성 단위의 메커니즘적(mechanistic) 관계를 연구하는 것
• 해부학적 구조의 부분 집합들은 변할 수 있고 독립적으로 적응할 수 있다.
• 형태학적 전통에서, 이러한 단위들은 상동 기관(homologue)으로 불림
• 분자적・발생적 경로가 달라져도 해부학적 모듈(여러 종에서 발견되는 상동 기관)은 유지되는 경우 다수 존재함.
2.2. 표현형 가소성 (Phenotypic plasticity)
[p. 945]
- 표현형 가소성(Phenotypic plasticity): 하나의 유전자형이 다양한 조건에 반응하여 다양한 결과를 만들어낼 수 있는 능력
- 진화에서 가소성의 역할(1): 발생적 반응 양태(developmental reaction norm). 환경의 미세한 변화에 대한 유전자형의 반응
- 실제 표현형 변화는 후성적 요소에 의존함
- 진화에서 가소성의 역할(2): 다면발현성(polyphenism)
[p. 945]
- 발생적 가소성이 중요한 이유: 형질 변이, 자연 선택, 환경 변화, 발생적 편향(generative bias)의 관계를 탐구하도록 하기 때문
- 가소성은 선택이 개체 발생(ontogeny)의 다양한 단계에서 작동할 수 있음을 함축함. 그리고 가소성은 환경 조건의 변화에 군집이 빠르게 반응하는 것을 설명하는 열쇠가 됨
- 자연 선택은 발생계를 지지할 수 있음. 환경에 대응하는 특징들 사이의 관계를 조정하도록 할 수 있으므로.
2.3. 혁신 (Innovation)
[p. 945]
- 이전에는 표현형의 참신성(phenotypic novelties)을 기능 변화, 복합 돌연변이(macromutation), 공생(symbiosis) 등으로 설명.
- evo-devo는 발생에서의 유전자 조절 변화로 혁신을 설명함
• 예) 나비 무늬, 곤충 날개, 두족류 촉수(cephalopod tentacle), 사족류 다리 개수(tetrapod digits), 새 깃털, 거북이 등껍질(carapace) 등이 유전자 조절 변화와 연관되어 있다는 연구들
- 많은 경우는 새로운 발생적 맥락에서 기존의 조절 회로의 재배열을 가리킴.
- 그러나 이러한 변화가 새로운 특성의 진화적 기원에 대한 실제 원인임을 설명하기 어려움.
• 왜냐하면 우리는 현존하는 종에 대한 연구를 통하여 유전자 조절을 평가하므로
[p. 945]
- evo-devo는 형태상의 혁신에서 후성적 인과의 메커니즘을 탐구함
- 발생에서 후성적 요인에 초점을 둔 혁신 설명
- 발생계는 생물과 무생물에 공통인 기본적인 여러 물리화학적(chemicophysical) 메커니즘을 이용함
• 예) 점탄성(viscoelasticity), 미분화된 응집성(differential cohesivity), 생화학적 분포와 진동(biochemical diffusion and oscillation), 기계화학적 민감성(mechanochemical excitability)
- 이러한 메커니즘은 낳는 포괄적 형태(generic form)는 결정론적 발생 프로그램의 산물이 아니라 물리적인 세포군(cell aggregates)의 속성의 산물임.
- 이러한 단순한 형태 발생 견본들은 진화의 기원과 표현형의 혁신에서 중요한 역할을 한다고 생각됨.
[p. 945]
- 발생 생물학의 요구 사항: 발생 생물학의 모형이 현존 상태를 설명만 하는 것이 아니라 진화의 기원과 주어진 체계의 수정도 설명해야만 한다는 것
- 유기체의 진화에 관한 포괄적인 이론에 관한 evo-devo의 중요한 귀결은 아직 제대로 평가되지 않았음.
3. 이론적 함축 (Theoretical implications)
[p. 945]
- 표준적인 진화론은 표현형 변화를 유전자 빈도 변화로 설명함. 적응적 변화를 설명하는 것은 현대적 종합(Modern Synthesis)의 목표
- evo-devo는 표현형 변화를 발생 메커니즘의 변화로 설명함(인과 메커니즘적 접근)
(이건 앞에서 설명한 novelty, modularity, homology, body plans, homoplasy 등)
- 또한 evo-devo는 발생 그 자체가 어떻게 진화하는지, 그리고 발생 과정의 통제가 유전적 요소, 후성적 요소, 환경적 요소 사이의 상호 작용에 의해 어떻게 일어나는지를 설명하는 것이 목표
- 이 목표를 위해 evo-devo는 표현형 조직(phenotypic organization)의 질적 특성과 그 메커니즘적 원인에 초점
- 표준 이론과 evo-devo의 중요한 차이는 evolvability, emergence, organization에 의해 특징지어짐.
3.1. 진화 능력 (Evolvability)
[p. 946]
- 진화 능력(evolvability): 어떤 혈통에 주어진, 유전 가능한 표현형 변화를 만들어내는 능력
- 표준 이론은 변이, 재조합 등으로 설명
• 예) 척추동물과 곤충의 색 패턴 변이 (단일 유전자 변이)
- 그러나 더 복잡한 표현형에서 다-유전자성(polygenic) 조건이나 다면 발현성(pleiotropic) 조건은 유전자형과 표형형의 관계를 훨씬 간접적으로 만듦
- evo-devo는 게놈의 변이 능력을 발생계의 기능이라고 주장함.
• 예) 발생계는 모듈적 기관을 통하여 그러한 기관의 메커니즘적 상호작용과 프로그램되지 않은 물리적 속성의 동태
- 진화 능력은 발생적 변이(developmental variation)와 가소성으로 분석됨
- 지금까지 그러한 상호 작용은 계통 발생론적 계통(phylogenetic lineage)에 속박되는 것으로 보였지만, evo-devo는 발생은 실제로 변화에 대한 제약을 줄이고 변이의 잠재성을 활성화할 것이라고 함
3.2. 창발 (Emergence)
[p. 946]
- 진화 능력은 표현형 변화의 발생에 대한 발생의 기여를 주장, 창발은 표현형 진화에서의 기원, 혁신, 새로움의 범위 밖의 현상을 가리킴
- 현대적 종합의 유전자 중심적 관점은 표현형에 선형적 변화를 만들어내는 유일한 요소를 유전자로 봄
- 창발 능력은 유전자, 발생 체계의 여러 속성, 환경 등의 상호작용에 존재함. 변이와 참신성이 등장
- 발생은 유전자 변이의 단순한 실행기(effector)가 아니라 혁신의 잠재적 위치
[p. 946]
- 창발 이론은 진화에서 새로운 표현형의 등장을 설명하여 적응 이론을 보충함.
- 자연 선택만으로는 참신한 표현형의 등장을 설명하기가 힘듦. 선택될 존재자가 있어야 함
- 진화에서 자연 선택이 유일하고 주도적인 독특한 힘이라는 설명에 도전
3.3. 조직 (Organization)
[p. 977]
- evo-devo는 표현형 진화에서 모듈성, 상동기관, 진화적 상동, 체제(Body Plan) 등 조직적 특징을 포착하도록 함
- 해부학적으로 다른 유기체의 조절 게놈에서 상동 관계가 발견된 이후로, 형태상의 상동 관계를 유전자에 기반하려 정의하는 것이 등장, 곧 적절하지 않음이 드러남
- 유사한 발생 조절 유전자가 전혀 다른 결과를 낳거나, 거꾸로 전혀 다른 조절 유전자로부터 유사한 결과가 나오는 사례 등이 발견됨
- evo-devo에 기반한 상동 관계 개념은 발생 경로의 일반성과 발생 과정의 모듈성을 강조함
- 또 다른 특징: 발생계에 대한 발생적이고 후성적인 통합
- 후성 유전학적 통합은 조절 네트워크들의 위계와 표현형 구성 패턴의 고정으로 이어짐
- 이런 의미에서, 유전자 조절 체계가 정교해지는 것은 형태학상 견본이 재생산하는 것 (??)
- 유전자형과 형태학적 표현형 사이의 지도 그리기는 진화의 원인이 아니라 결과로 해석될 수 있음.
- evo-devo는 표현형 조직(phenotypic organization)에서 진화의 결과일 뿐 아니라 진화에 영향을 준다는 것.
[p. 977]
- 현대적 종합은 집단 유전학(population genetics)에 의존함
- evo-devo는 유전자, 세포, 발생적 상호작용이 표현형의 진화에 어떻게 영향을 미치는지 탐구함
- 그러므로, evo-devo는 현대적 종합이 틀렸음을 입증하는 것이 아니라 설명의 다른 level을 추가함
- evo-devo는 표현형 진화에서 자연 선택의 역할에 관한 강조를 이동함
- 현대적 종합에서는 경계 조건이 유전적 변화이고 여기서 설명하는 것이 자연 선택의 실행.
- evo-devo에서는 경계 조건이 자연 선택이고 여기서 설명하는 것이 발생의 생성 조건.
- 자연 선택이 일반적인 경계 조건일 때, 표현형의 특수화는 발생에 의해 결정된다.
- 그러므로 evo-devo는 진화적 설명을 외재적이고 우연적인 것에서 내부적이고 내재적으로 이동함.
4. 앞으로의 도전들 (Challenges ahead)
[p. 978]
- 도전(1): 등장할 새로운 개념이 경험적으로 시험될 수 있는가, 시험될 수 있다면 어떻게 가능한가?
• 새로운 유전자 조작 기술과 비-모형 유기체의 사용은 실험 가능성을 증가시킴.
• 동시에 자기 조직화의 메커니즘, 일반적인 조직 유도(generic tissue induction), 발생적 가소성, 환경적 요소 등은 실험적 방법으로 시험되지 않는 비-유전적 프로그램의 측면들을 포함함.
- 도전(2): evo-devo와 현대적 종합을 이론적으로 통합하는 영역에서 발생
• 현대적 종합은 개체군 동태(population dynamic)에 초점을 맞추므로, 발생계에 대한 포괄적인 정보는 도달하기 어렵다. 현대 evo-devo는 개체군 동태 알고리즘을 제공하지 않음.
• 이러한 데이터는 원리적으로 배제적이지 않지만, 이론적 통합을 위해서는 적합한 형식을 마련해야 하는 추가적인 노력이 필요함
(2017.06.22.)
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