비교 유전체학을 통한 발성학습 종의 분자 기작과 진화에 대한 이해

Abstract

본 학위 논문은 비교유전체 분석을 기반으로 하여 종간 참조유전체 비교를 통해 발성학습 종의 특이적인 유전형질의 발굴에 집약적인 연구이다. 발성학습에 대한 연구는 인류의 언어와 발성학습의 유전자적 기원을 이해하고, 인간의 언어장애가 발생하는 시스템을 밝혀 치료에 적용함에 그 목적이 있다. 제 1장과 2장에서는 연구의 일반적인 배경지식을 정리하였다. 발성학습이란 경험을 통해 소리를 모방할 수 있는 능력이다. 발성학습과 연관된 유전자를 찾기 위해서 4가지 방식의 분자기작 (이형성, 이량성, 이소성, 이시성)을 고려하였다. 이형성을 가진 유전자를 발굴하기 위해 타스 분석(TAAS analysis)과 디엔/디에스 분석(dN/dS analysis)을 적용한다. 타스 분석은 단백질번역지역 내에서 비발성학습종에 상호배타적인 발성학습조류 특이적 아미노산치환을 가지는 위치를 찾아내는 방법이다. 디엔/디에스 분석은 이러한 이형성을 가지는 위치의 진화적선택압력을 추정 하기 위해 적용 할 수 있다. 이형성을 가지는 유전자가 다른 표현형질보다 발성학습에 연관이 있는 유전자임을 지지하는데, 나머지 세가지 분작기작을 고려한 유전자 발현 목록을 적용한다. 제 3장에서는 위에서 제시한 방법이 적용된, 발성학습조류 특이적인 단백질유전정보의 범위에서의 수렴현상에 대한 연구를 자세히 서술했다. 8000여개의 이종상동유전자 중에, 총 136개의 유전자가 149개의 위치에서 발성학습조류 특이적인 타스 위치 (avian vocal learner-specific TAAS sites)를 가진다. 그 중에 사람의 언어와 직접적으로 연관된 FOXP2의 Forkhead box domain으로만 이루어진 FBXO48는 사람과 발성학습조류 내에서 수렴된 아미노산 치환을 보인다. 그리고 B3GNT2와 PIK3R4가 양성선택, 발현목록, 인간언어장애 관련 질환과 연관성에 의해 뒷받침에 의해, 발성학습에 연관된 강력한 후보유전자로 제시하였다.

This thesis is an intensive study to find a vocal learner-specific genotype, comparing reference genomes between species based on comparative genomics. Researches for vocal learning put purposes to understand genetic origins of language and vocal learning in human lineage, to discover systems occurring human language disorder, and then to treat the diseases. In chapter 1and 2, I introduced the general background information. Vocal learning is an ability to imitate vocalizations through experiences. In order to find vocal learning related genes, I considered 4 types of molecular mechanisms ? heterotypy, heterometry, heterotopy, and heterochrony. For excavation of heterotypic genes, TAAS and dN/dS analysis are conducted. TAAS analysis is developed to distinguish if a gene has sites with mutually exclusive vocal leaner-specific amino acid substitutions from non-learners in a protein coding region, and dN/dS analysis can be applied to estimate the evolutionary selection pressure on these heterotypic sites. With gene expression profiles considering the other three molecular mechanisms, it is supported that the genes with heterotypies are more related to vocal learning trait than other phenotypes. In chapter 3, I minutely described the research for avian vocal learner-specific proteome-wide convergence. Of about 8000 orthologous in avian lineages, 139 genes have 149 TAAS sites of vocal learning birds. Of these, FBXO48, with only FOX domain of FOXP2 directly related to human language, shows a convergent amino acidic alteration within avian vocal learners and human. Of the 139 TAAS genes, B3GNT2 and PIK3R4 are suggested as strong candidates related to vocal learning, because of supports of positive selection, expression profile, association with human language disorder.